Desculpe, mas os lasers não levarão você a Marte em três dias

Crédito da imagem: o conceito DEEP-laser sail, via http://www.deepspace.ucsb.edu/projects/directed-energy-interstellar-precursors , Copyright 2016 UCSB Experimental Cosmology Group.

É uma tecnologia potencial maravilhosa para se tornar interestelar. Mas em sua vida? Não prenda a respiração.


A grandeza não está em onde estamos, mas em que direção estamos nos movendo. Devemos navegar às vezes com o vento, e às vezes contra ele - mas devemos navegar. E não à deriva, nem ancorado. – Oliver Wendell Holmes



Sempre que uma nova tecnologia poderosa é desenvolvida, vale a pena repensar nossas formas convencionais de realizar tarefas difíceis. Quando se trata de viajar para o espaço sideral e explorar o Universo além da Terra, vale a pena levar muito, muito a sério qualquer novo avanço na produção, armazenamento ou transmissão de energia. Mas o espaço é muito, muito grande, e as distâncias da Terra a outros planetas – para não mencionar outras estrelas – são literalmente astronômicas. A partir de 2016, ainda estamos usando combustível de foguete baseado em produtos químicos para lançar e manobrar nossas naves espaciais, a mesma tecnologia que usávamos nas décadas de 1950 e 1960, quando os voos espaciais começaram. Mas recentemente, uma equipe de cientistas e engenheiros liderado por Philip Lubin anunciou que eles acreditam que é possível usar a propulsão a laser não apenas para transformar missões a Marte em um passeio de três dias, mas também para mirar nas estrelas em velocidades mais rápidas do que qualquer espaçonave já alcançou.



Promessas como essa parecem surgir periodicamente, como conceitos como foguetes movidos a fusão, motores de antimatéria e até os chamados motores impossíveis esperamos substituir as melhores tecnologias de hoje para acelerar grandes massas a altas velocidades. O problema com essas promessas é que, em cada caso, simplesmente não é prático:

  • A fusão nuclear não é, até agora, uma reação controlável e sustentável e, portanto, não pode emitir grandes quantidades de energia por longos períodos de tempo.
  • A antimatéria não é apenas cara de produzir, ela só pode ser produzida em pequenas quantidades. Se você resumisse toda a quantidade de antimatéria já produzida por humanos na Terra, ela pesaria menos de um micrograma, o que liberaria sobre a energia de uma pequena caixa de dinamite se você a convertesse em energia pura via E = mc^2 de Einstein.
  • E projetos de motores hipotéticos como o EM Drive não fornecem resultados reprodutíveis e robustos, nem fornecem grandes quantidades de empuxo ou potência, mesmo sob as condições de teste mais generosas.

Mas este último é diferente, pois a tecnologia principal para propulsão baseada em laser existe hoje.



Ablação de asteróides por energia dirigida. Crédito da imagem: DE-STAR ou Directed Energy System for Targeting of Asteroids and exploRation, Copyright 2016 UCSB Experimental Cosmology Group, via http://www.deepspace.ucsb.edu/projects/directed-energy-planetary-defense .

Com vista à deflexão de asteróides, os avanços na potência do laser foram tremendos nos últimos 15 anos. Projetos de vários cientistas de várias agências, incluindo a DARPA, conseguiram aumentar a potência do laser de uma maneira inovadora: não aumentando a potência de cada laser, mas tornando as matrizes de laser arbitrariamente escaláveis. Em outras palavras, agora você pode construir uma grande variedade de lasers que disparam em fase e com precisão em um alvo apropriado, transmitindo não apenas o quiloWatts de energia associada a um único laser, mas uma quantidade arbitrariamente grande de energia que é limitada apenas pela escala de sua matriz de laser. Aqui está um teste simples de um Matriz de laser de 19 elementos disparando em um alvo de basalto .

A ideia por trás de um sistema de propulsão baseado em laser é relativamente simples em princípio e requer apenas alguns passos:



  1. Crie uma matriz de lasers em fase em órbita ao redor da Terra, configurados para que possam ser apontados com precisão para qualquer alvo escolhido. Idealmente, essa matriz atingiria níveis de potência de gigaWatt.
  2. Crie uma espaçonave-alvo que comece inicialmente em órbita baixa da Terra, com uma grande superfície semelhante a uma vela, capaz de ser direcionada pela matriz de laser.
  3. Acerte a espaçonave alvo de forma consistente com o laser suficientemente potente, acelere-a a qualquer velocidade que puder com a trajetória apropriada e observe-a!

Versão artística de uma vela a laser. Crédito da imagem: Adrian Mann, via http://www.deepspace.ucsb.edu/projects/directed-energy-interstellar-precursors .

Há muitas boas razões para estar animado com isso! A tecnologia a laser já existe e está melhorando com o passar do tempo. É fácil começar pequeno: como o array é escalável, um pequeno investimento pode ser usado para acelerar massas muito pequenas (sub-grama) a altas velocidades para iniciar, como uma prova de conceito. A vela pode ser bem pequena - apenas cerca de um metro quadrado - e ainda ser muito eficaz. E a refletividade ou robustez de uma vela a laser não é tão problemática quanto a de uma vela solar, pois a frequência de um laser é muito estreita e, portanto, é relativamente fácil refletir 99,99% da luz ou mais, com apenas um absorção muito pequena. Simulações indicam que mesmo uma modesta matriz de laser (272 kiloWatts no vídeo abaixo ) pode acelerar uma massa de teste de um grama com a vela apropriada no espaço interplanetário.

Há, no entanto, algumas razões incríveis para o ceticismo. A física não é impossível, veja bem, mas é uma tarefa hercúlea de engenharia. Aqui estão algumas barreiras importantes que não temos ideia de como superar atualmente:



  • Como colimar com sucesso um laser em distâncias tão longas. Por exemplo, os espelhos que os astronautas da Apollo instalaram na Lua efetivamente refletem e retornam apenas um em cada 10¹⁷ fótons de volta ao seu destino pretendido.
  • Como um objeto acelerado será útil? No momento, qualquer massa acelerada a velocidades apreciáveis ​​seria tão pequena que não poderia transmitir nada útil com qualquer quantidade de energia que seria detectável por nós na Terra.
  • Poderia um objeto de baixa massa e tão fino quanto as sondas espaciais de um grama propostas realmente resistir ao poder desses lasers, ou eles se tornariam inúteis, mesmo com suas altas (mas imperfeitas) refletividades?
  • Um objeto acelerado assim não ser orientável ou capaz de ser a partir de acelerado assim que chegou ao seu destino.
  • Um objeto semelhante a uma vela, particularmente um wafer fino, precisaria de alguma forma ser estabilizado contra pequenos gradientes de forças, caso contrário, ele começaria a girar e girar, tornando-o incapaz de mais aceleração.
  • E, finalmente, a magnitude da matriz de laser necessária para acelerar qualquer massa consideravelmente grande seria incrivelmente grande e cara.

Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons Andrzej Mirecki, sob uma licença c.c.a.-s.a.-3.0, do conceito de vela solar relacionado à missão IKAROS.

O conceito de vela a laser pode ser ótimo para obter pequenas massas até grandes velocidades, mas um modelo em escala real que atinja a faixa de potência de gigaWatt desejada requer um conjunto de lasers com aproximadamente 100 quilômetros quadrados em área, ou quase tão grande quanto Washington, DC Uma matriz em escala real como essa poderia impulsionar um wafersat, ou um chip computadorizado fino de cerca de 10 centímetros de diâmetro com uma massa de cerca de um grama, a cerca de 0,3% da velocidade da luz em cerca de dez minutos. (Aumente a área para um metro quadrado, como alguns esperam, e você poderá atingir cerca de 26% da velocidade da luz nesse tempo!) Ele poderia impulsionar uma carga útil de 100 kg (cerca de metade da massa do rover Mars Opportunity) para o mesmo velocidade com uma vela muito maior, ou mesmo uma carga útil de 10.000 kg - talvez suficiente para enviar humanos em uma viagem para fora do Sistema Solar - a velocidades de 1.000 km/s, ou cerca de 100 vezes mais rápido do que os astronautas da Apollo foram em sua jornada para a lua.



Crédito da imagem: NASA, do lançamento da Apollo 15.

Essa iniciativa é conhecida como PROFUNDO , onde a energia direcionada é usada para acelerar as sondas a velocidades interestelares, e você pode ler O white paper de Philip Lubin aqui . É certamente uma ideia empolgante e em que vale a pena analisar as possibilidades. Mas não faça as malas para as estrelas mais próximas ainda, porque as dificuldades com a implementação e dimensionamento desse tipo de sistema - e em particular, da potência, colimação e utilidade dos lasers à medida que refletem em um cenário ainda teórico vela a laser - pode vir a demorar muitas décadas ou mesmo séculos, se for viável.

Crédito da imagem: NASA/Goddard/Adler/U. Chicago/Wesleyan, das estrelas e exoplanetas conhecidos dentro de 25 anos-luz do Sol.

Vale a pena investir e experimentar, com certeza. A propulsão a laser ainda pode ser o futuro dos voos espaciais e a tecnologia que finalmente nos leva às estrelas. Mas isso não é o presente do vôo espacial, e os obstáculos a serem superados são altamente formidáveis. Devemos absolutamente tentar esse caminho e seguir em frente, mas não é de forma alguma um slam-dunk. O Universo acena para nós, e é uma possibilidade absolutamente tentadora que possamos ver uma revolução em como chegamos lá. Mas também é incrivelmente importante ser realista sobre a tecnologia que temos hoje e os desafios que enfrentamos para chegar onde queremos estar. A propulsão a laser pode ser a melhor aposta da humanidade, dada a tecnologia que sabemos que existe hoje, mas está longe de nos enviar para as estrelas.


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