La luz (y todas las demás formas de radiación EM (electromagnética) ejercen presión. Los fotones tienen impulso (aunque no tienen “masa en reposo”).
A la distancia de la Tierra del Sol, 1 UA (unidad astronómica = 1.5E11 metros), la presión en un metro cuadrado frente al resplandor del Sol es 8E-6 N / m ^ 2 (newtons por metro cuadrado) para un material que refleja aproximadamente 90 % de la luz.
Eso es usar E-6 para significar x 10 ^ -6 o una millonésima, como el botón E, x 10 ^ n o Exp en muchas calculadoras.
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Para partículas de hielo del tamaño de micras, etc. en la cola de un cometa, esta ligera presión sobre las partículas excede la fuerza de la gravedad, y la cola del cometa apunta lejos del Sol.
Las velas solares usan este hecho. Algunos materiales similares a mallas podrían tener en el futuro una densidad de área de solo 1/10000 kg / m ^ 2 y una fuerza de gravedad debida al Sol en la misma masa diminuta de solo:
F = mg = 5.9E-7 newtons
Esto significa que la relación de la fuerza debida a la presión de la luz: la fuerza debida a la gravedad del Sol es aproximadamente
13.5
Si incorporamos componentes electrónicos en un material de malla de este tipo basado en material de nanotubos de carbono con agujeros de menos de media longitud de onda de luz (por lo que parece perfectamente sólido y suave a la luz y longitudes de onda más largas), entonces podríamos esperar un ‘factor de ligereza’ de decir 11, y una fuerza neta hacia el exterior del sol de 10 veces la fuerza gravitacional (peso) en cualquier punto. Tanto la gravedad como la luz disminuyen a medida que el cuadrado de la distancia, por lo que la relación se mantiene igual:
La integración simple sobre la distancia nos dice que la energía adquirida de R al infinito es igual a 10 veces la energía que una masa de prueba adquiriría cayendo del infinito (es decir, muy lejos :)) a R bajo la gravedad del Sol, sin efecto de presión de radiación. Como la energía cinética es media m veces v al cuadrado, v es proporcional a la raíz cuadrada de la energía.
Entonces, la ‘velocidad final’ de nuestra nano sonda con energía solar es 3.16 (la raíz cuadrada de 10) veces la velocidad de escape solar a nuestra distancia inicial del Sol. Comenzando en la distancia orbital de la Tierra a 1 UA del Sol, e imaginando una nano sonda solar a partir de baja velocidad:
v = 133 km / seg.
Estamos simplificando mucho las cosas, ignorando cualquier método que usemos para sacar las sondas de la Tierra, etc. E ignorando la velocidad de inicio de las sondas, que sería del orden de 30 km / seg, la velocidad orbital de la Tierra alrededor del sol, o 1 / swrt20 veces una velocidad de 133kps.
Es interesante que incluso si tenemos en cuenta la velocidad orbital inicial de 30kps alrededor del Sol (después de la fuga de la Tierra, tal vez por el lanzamiento de un cohete de las sondas), en ángulo recto a la dirección del mayor empuje del Sol, el efecto en la velocidad final es solo aproximadamente 2.5% como máximo (pero comprobaré mis cálculos para estar seguro).
Paradójicamente, la forma de salir rápido del Sistema Solar es organizar primero que sus sondas se sumerjan hacia el Sol con las sondas mirando hacia el borde para minimizar la presión de radiación. Luego gire casi de frente en el perihelio (el más cercano al Sol) y despegue.
Si la aproximación más cercana es 1/10 de un Au, la velocidad final es:
420 km / seg
Y si los materiales (algún tipo de unobtanium :)) pudieran resistir una aproximación a 1/100 Au, a solo 1,5 millones de km del centro del Sol y, por lo tanto, a solo 800,000 km sobre la superficie hirviendo (!), La velocidad final de nuestra sonda interestelar sería:
1330 km / seg
Los lectores astutos notarán que así como la velocidad de escape de un cuerpo masivo varía inversamente a la raíz cuadrada de la distancia inicial R desde el centro, también lo hace la velocidad final de nuestra Sonda Solar.
A medida que se sumergen hacia el Sol, nuestras pequeñas sondas podrían protegerse mediante capas de material de sacrificio en el borde de ataque que se subliman / vaporizan lentamente al acercarse, protegiendo las sondas.
Una idea maravillosa de hace décadas era que una vela solar (mucho más grande), presumiblemente enrollada como una bandera, se zambulliría cerca del Sol detrás de un pequeño asteroide, que actuaría como un escudo, antes de desplegarse en el perihelio y destruir el infierno en busca de cuero. fuera del sistema solar.
Muy Steampunk :).
En caso de que se lo pregunte, 1330 km / segundo es solo el 0.443% de la velocidad de la luz en el vacío c. ¡Eso sigue siendo mejor que las patéticas sondas Voyager y Pioneer, la más rápida de las cuales (Voyager I) se mueve a solo un 0.0055% de la velocidad de la luz, o aproximadamente 80 veces más lenta!
Aun así, 0.443% c es lento para un viaje a las Estrellas. Por lo tanto, llevaría casi mil años llegar al sistema estelar Alpha Centauri.
La buena noticia es que las sondas correctamente dirigidas podrían usar un enfoque muy cercano a Alpha Centauri A o B, ambas estrellas similares al sol, para reducir la velocidad lo suficiente como para ser capturadas y dar años de observación para las sondas sobrevivientes. La mala noticia es que, a menos que los científicos que se inicien se conviertan en cyborgs o en inteligencia artificial cargada o en humanos mejorados / elevados (estoy de acuerdo con eso, considerando la alternativa :)), ninguna de las personas del proyecto original seguirá viva para ver el flujo de datos !
Tales sondas no tienen que ser solares:
La idea de Hawking y Milner de usar láseres por fases para acelerar las sondas nano a más del 20% c es más parecida, por un tiempo de vuelo a Alpha Centauri de alrededor de dos décadas. Al menos muchos de los científicos / ingenieros, etc., todavía estarían respirando cuando las señales vuelvan alrededor de un cuarto de siglo después del lanzamiento :).
Desafortunadamente, soy demasiado viejo para ver las imágenes de primer plano de Alpha Centauri, incluso si se lanzan, digamos 2030, y que las imágenes vuelvan a comenzar alrededor de 2055. Pero aún me gustaría ver que esos tontos superen el 20% de la explosión. Matriz en fase de láseres de alta potencia.
