W przyszłości ładunki do planet w Układzie Słonecznym będziemy dostarczać bez użycia paliwa, w sposób ekologiczny, a także elegancki. Doholują je na miejsce majestatyczne statki kosmiczne wyposażone w gigantyczne żagle słoneczne i napędzane pędem fotonów.

To, że światło wywiera ciśnienie, postulował już 400 lat temu astronom Johannes Kepler, tłumacząc tym fakt, że w obserwacji komet ich ogon zawsze skierowany jest w kierunku od Słońca. Minęło mniej więcej 240 lat, kiedy fizyk James Maxwell zaczął publikować fundamentalne teorie dotyczące elektromagnetyzmu. Jednym z wniosków Maxwella było to, że promieniowanie elektromagnetyczne, w tym światło, ma pęd i wywiera ciśnienie na obiekty, na które pada. Na eksperymentalne potwierdzenie tego zjawiska trzeba było poczekać kolejne 40 lat. Potem jeszcze z 15 na powiązanie masy z energią przez Alberta Einsteina w ramach teorii względności, co „rozjaśniło”, jak fotony, które nie mają masy spoczynkowej, mogą mieć pęd – posiadają masę relatywistyczną związaną z ich energią.

Lightsail 2 – na samym dole znajdują się pokładane bomy, wyżej zwinięty żagiel słoneczny, a na górze – elektronika

Nie jest to zbyt intuicyjne. Nie doświadczamy też wpływu ciśnienia światła w życiu codziennym, ponieważ jest ono wielokrotnie mniejsze od innych sił wokół nas, choćby oporu powietrza. Jednak w misjach w próżni kosmicznej musi być ono brane pod uwagę. Przy wyznaczaniu trajektorii sondy Viking w drodze na orbitę Marsa brak poprawki na znoszenie przez światło skutkowałby błędem rzędu 15 000 kilometrów. Aż się prosi, żeby tę dodatkową siłę zaprząc do użytecznej pracy. Tak powstała koncepcja statku napędzanego żaglem słonecznym.

Prototyp jednego z czterech wielkich żagli słonecznych planowanej na 2020 sondy JAXA wystawiony w jednej z japońskich szkół

Na Ziemi nawet stosunkowo mała siła wiatru jest w stanie wprawić w ruch kilkutonowy jacht wyposażony w odpowiednio duże żagle. Teoretycznie tak samo mogłoby działać w kosmosie. Jachtem morskim można, odpowiednio te żagle ustawiając, płynąć zarówno z wiatrem, jak i w pewnym kącie pod wiatr. Podobnie w teorii mógłby działać żagiel słoneczny, z tym że w kierunku do Słońca, powiedzmy w okolice Wenus, statek kosmiczny poruszałby się po zacieśniającej się spiralnej orbicie. Zarówno na morzu, jak i w kosmosie podróżowanie pod żaglami nie zużywa cennego paliwa. Analogie nie są jednak zupełne.

To wizualizacja, ale Ikaros zrobił też prawdziwego selfika wypuszczając już w kosmosie dwie cyfrowe, bezprzewodowe kamery

Jacht o długości 15 metrów spokojnie dałby sobie radę z żaglami o powierzchni 120 metrów kwadratowych. Statek kosmiczny podobnej długości prawdopodobnie musiałby zostać wyposażony w żagiel słoneczny o powierzchni liczonej w kilometrach kwadratowych. Żagle morskie szyte są z wytrzymałych materiałów, podczas gdy żagiel słoneczny stanowi ultralekką i cienką folię, bardzo delikatną mechanicznie. Na morzu żagiel może się porwać w sytuacji sztormu i zbyt dużej siły wiatru, a jak puszcza, to z reguły po całości i po prostu przestaje pracować. W kosmosie żagle narażone są na rozdarcia pod wpływem uderzeń mikrometeorytów, ale takie miejscowe uszkodzenia nie mają dużego wpływu na ich funkcjonowanie. Największa różnica to sposób hamowania. W żaglowcach wystarczy zrzucić żagle lub stanąć dziobem pod wiatr w kącie martwym, a opór wody i powietrza zrobi swoje. W kosmosie rozpędzony żagiel słoneczny nie ma takich pomocy. Przy podróżach międzygwiezdnych można wyobrazić sobie, że światło macierzystej gwiazdy rozpędza statek, a światło docelowej gwiazdy go hamuje. W obrębie Układu Słonecznego trzeba będzie wymyślić coś innego.

Sunjammer NASA miał pecha. Program, który kosztował więcej niż Ikaros został skasowany tuż przed pierwszym lotem

Technologia żagli słonecznych póki co jest w powijakach, ale ma duży potencjał. Pierwszy udany rejs przeprowadziła japońska agencja kosmiczna JAXA. Sonda Ikaros wyruszyła w czerwcu 2010 roku. Wyposażona została w zbudowane na planie kwadratu żagle o łącznej powierzchni 173 metrów kwadratowych, a sterowanie zapewniały elementy ciekłokrystaliczne umieszczone w rogach. W zależności od napięcia elementy te zmieniały stopień odbicia światła. Wkrótce nastąpią kolejne próby, miejmy nadzieję, że równie udane. Towarzystwo Planetarne z USA planuje w tym roku wysłać w rejs mały statek kosmiczny zwany LightSail 2. Całość upakowana została w pojemnik wielkości trzech jednostek CubeSat (10x10x10 centymetrów). Już w kosmosie LightSail rozwinie cztery trójkątne żagle o łącznej powierzchni 32 metrów kwadratowych. Żagiel jachtowy o takim rozmiarze mieściłby się w wielkim  worku. Udało się upakować go w tak małą objętość, ponieważ ma grubość 1/4 grubości cienkiej reklamówki sklepowej.

Frachtowiec napędzany żaglem słonecznym z filmu Tron: Legacy. Podczas postojów żagle stają się przezroczyste

NASA buduje statek NEA Scout, który też ma mieścić się w formacie CubeSat. Wyposażony będzie w żagiel o powierzchni 83 metrów kwadratowych i ma badać planetoidy bliskie Ziemi. To wszystko zabaweczki przy budowanej przez JAXA sondzie z żaglem słonecznym o powierzchni 2 500 metrów kwadratowych, który będzie wysłany do badania planetoid trojańskich Jowisza około 2020 roku.

Artykuł ukazał się w Pixelu #26, którego nakład został już wyczerpany. Zapraszamy jednak do sklepu Pixela po inne wydania magazynu w druku oraz po cyfrowe wersje.