Under det senaste decenniet, tusentals planeter har upptäckts bortom vårt solsystem. Detta har haft effekten av att förnya intresset för rymdutforskning, som inkluderar möjligheten att skicka rymdfarkoster för att utforska exoplaneter. Med tanke på utmaningarna, ett antal avancerade koncept undersöks för närvarande, som det anrika konceptet med ett lätt segel (som exemplifieras av Breakthrough Starshot och liknande förslag).

Dock, på senare år, Forskare har föreslagit ett potentiellt mer effektivt koncept som kallas det elektriska segel som består av trådnät som genererar elektriska laddningar för att avleda solvindspartiklar, skapar därmed fart. I en nyligen genomförd studie, två Harvard-forskare jämförde och kontrasterade dessa metoder för att avgöra vilken som skulle vara mer fördelaktig för olika typer av uppdrag.

Studien, som nyligen dök upp på nätet och granskas för publicering av Acta Astronautica , leddes av Manasavi Lingam och Abraham Loeb – en biträdande professor vid Florida Institute of Technology (FIT) och Frank B. Baird Jr. Professor of Science vid Harvard University och direktören för Institute for Theory and Computation (ITC), respektive.

Konceptet med ett lätt segel är gammalt, involverar en rymdfarkost utrustad med ett stort ark av reflekterande material som använder strålningstrycket från en stjärna (stjärnvind) för att accelerera över tiden. En stor fördel med denna teknik är att den inte kräver en rymdfarkost för att transportera sin egen bränsleförsörjning, som vanligtvis står för majoriteten av ett rymdskepps massa.

Detta är särskilt viktigt när det kommer till interstellära resor, eftersom mängden reaktionsmassa som behövs för att nå ens en bråkdel av ljusets hastighet (c) skulle vara enorm. Och till skillnad från begrepp som antimateria-framdrivning eller begrepp som förlitar sig på fysik som fortfarande är oprövade (eller till och med hypotetiska), sol/lätta segel använder teknik och fysik som är helt bevisade vid denna tidpunkt.

En annan fördel är att ett lätt segel kan accelereras med andra medel än solstrålning. Som Lingam förklarade för Universe Today via e-post:"Lätta segel kan 'skjutas' av antingen lasermatriser eller sol-/stjärnstrålning. I båda fallen, den största fördelen med lätta segel är att man inte behöver bära bränslet ombord, till skillnad från kemiska raketer. Detta minskar rymdfarkostens massa avsevärt eftersom majoriteten av massan i kemiska raketer beror på bränslet. Samma fördel gäller även elsegel."

Dock, de senaste åren, variationer på detta koncept har utvecklats, som det magnetiska segel ("magsails") som föreslogs av Robert Zubrin och Dana Andrews 1988, och det elektriska segel som Pekka Janhunen föreslog 2006. När det gäller den förra, en supraledande slinga skulle generera ett elektriskt fält medan den senare skulle generera ett magnetfält via ett segel av små ledningar – som båda skulle stöta bort solvinden.

Dessa koncept har några anmärkningsvärda skillnader från konventionella sol- eller lätta segel. Som Lingam förklarade:"Elektriska segel är beroende av överföringen av momentum från de laddade sol-/stjärnvindpartiklarna (protoner i vårt exempel) genom att avleda dem via elektriska fält, medan ljussegel är beroende av momentumöverföring från fotoner som emitteras av stjärnan. Således, stjärnans vind driver elektriska segel, medan elektromagnetisk strålning som sänds ut av stjärnan driver lätta segel."

Intressant nog, magnetiska segel har ansetts av vissa forskare som ett möjligt sätt att bromsa ett lätt segel när det närmar sig sin destination. En sådan forskare är professor Claudius Gros vid Institutet för teoretisk fysik, Goethe-universitetet, Frankfurt, och Andreas Hein och Kelvin F. Long – de främsta utredarna av Project Dragonfly, ett koncept som liknar Breakthrough Starshot.

Alla tre koncepten kan omvandla strålningen som sänds ut av stjärnor till momentum, men kommer också med sin del av nackdelar. Till att börja, elektriska segel är mycket beroende av egenskaperna hos deras värdstjärnor. Lätta segel, å andra sidan, görs i stort sett ineffektiva när det gäller stjärnor av M-typ (röda dvärg) eftersom strålningstrycket inte är tillräckligt högt för att generera tillräckligt med hastighet för att undkomma ett stjärnsystem.

Detta är en ganska begränsande fråga, som låg massa, ultracoola dvärgar av M-typ står för den stora majoriteten av stjärnorna i universum – de står för 75 procent av stjärnorna i Vintergatan. Röda dvärgar är också otroligt långlivade jämfört med andra klasser av stjärnor och kan förbli i sin huvudsekvens i upp till 10 biljoner år. Därför, ett framdrivningssystem som kan använda röda dvärgsystem skulle vara att föredra över längre tidsskalor.

På grund av dessa överväganden, Lingam och Loeb försökte avgöra vilken metod för interstellär resa som skulle vara att föredra (lätta segel eller elektroniska segel) i förhållande till olika klasser av stjärnor - F-typ (vit), G-typ (gul), K-typ (orange), och stjärnor av M-typ. Efter att ha tagit hänsyn till strålningsegenskaperna för varje klass, de räknade in rymdfarkostens sannolika massa – baserat på parametrarna som fastställts av Breakthrough Starshot.

Vad de fann var att en rymdfarkost parad med ett elektriskt segel representerar ett bättre sätt att framdriva i närheten av de flesta typer av stjärna, och inte bara för rymdfarkoster i gramskala. Dock, Lingam och Loebs beräkningar fann också att det skulle ta betydligt längre tid för en elektrisk segelfarkost att nå de hastigheter som skulle göra interstellär resa praktisk.

"Istället, om man betraktar lätta segel som drivs av lasermatriser (som Breakthrough Starshot), det är då möjligt att direkt uppnå relativistiska hastigheter (t.ex. 10 procent ljusets hastighet) via lätta segel; i kontrast, elektriska segel som drivs av stjärnvindar når hastigheter på bara 0,1 procent av ljusets hastighet, sa Lingam.

Medan ett elektriskt segel kan uppnå 0,1 c så småningom från att upprepade gånger uppnå närhet till stjärnor, de uppskattade att detta skulle ta 10, 000 möten under loppet av 1 miljon år. Lingam säger, "[Elektriska segel representerar ett gångbart sätt att genomföra interstellära resor. Men, alla tekniska arter som vill använda denna metod måste vara långlivade, eftersom hela denna process för att uppnå relativistiska hastigheter skulle ta ungefär 1 miljon år. Om sådana långlivade arter existerar, elektriska segel representerar ett ganska bekvämt och energieffektivt sätt att utforska Vintergatan över långa tidsskalor (miljoner år)."

Medan 1 miljon år är lite mer än en blinkning i kosmiska termer, den är otroligt lång i termer av civilisationers livslängd – åtminstone enligt våra mått mätt. Som art, mänskligheten har funnits i cirka 200, 000 år och har bara registrerat sin historia i cirka 6000. Mer till saken, vi har bara varit en rymdfarlig civilisation under de senaste 60 åren.

Alltså, ett segel som kan accelereras med laser är fortfarande det mest praktiska sättet att utforska exoplaneter under vår livstid. En annan implikation för denna studie är att den skulle kunna informera sökandet efter utomjordisk intelligens (SETI). När man söker i universum efter tecken på teknisk aktivitet (teknosignaturer), forskare tvingas leta efter tecken som de kommer att känna igen.

Med tanke på fördelarna med ett elektriskt segel, det är möjligt än att en utomjordisk civilisation kan gynna denna teknik framför liknande. Som professor Loeb förklarade för Universe Today via e-post:"Våra beräkningar antyder att avancerade civilisationer sannolikt gynnar användningen av elektriska segel framför lätta segel för framdrivning som är baserad på den naturliga produktionen av stjärnor i form av vind eller strålning. , om en teknisk civilisation vill uppnå hastigheter eller skjuta upp stora laster som inte kan drivas fram av kraften som produceras av deras värdstjärna, då är det troligt att det gynnar lätta segel, som trycks av sin artificiellt producerade ljusstråle såsom en kraftfull laser. Situationen liknar skillnaden mellan segelbåtar, som använder vinden gratis från moder natur, jämfört med större eller snabbare båtar som drivs med konstgjorda medel som en motor."

Tyvärr, som Loeb tillade, elektriska segel är inte lätt att upptäcka på stora avstånd eftersom de är gjorda av elektrifierade trådnät och inte avger några uppenbara teknosignaturer. "Därför, " avslutar han, "SETI bör i första hand fokusera på sökandet efter lätta segel, som är synliga på grund av läckage av deras ljusstrålar utanför seglets gränser nära deras uppskjutningsplatser eller på grund av att de reflekterar solljus när de passerar nära solen, precis som asteroider eller kometer av liknande storlek."

Dock, Lingam och Loeb betonar också att elektriska segel kan vara ett attraktivt alternativ för en utomjordisk civilisation av exakt samma anledning. Förutom att vara energieffektiv, elektriska segel utsätts inte för spillover och kan därför resa från ett stjärnsystem till ett annat utan att det märks. En möjlig lösning på Fermi-paradoxen? Kanske!

Hur som helst, denna studie indikerar att våra nuvarande planer på att utforska närliggande stjärnsystem bör fokusera på koncept som betonar hastighet framför livslängd. Detta betyder inte att det är en dålig idé att använda elektriska eller magnetiska segel som kan fortsätta att utforska universum i evigheter, men ett uppdrag som kan komma in i ett annat stjärnsystem i våra liv verkar vara det bästa alternativet just nu.