211service.com
Kunnen we krachtige lichten gebruiken om ruimtevaartuigen met de snelheid van het licht voort te stuwen?
Om met de snelheid van het licht door de ruimte te reizen, is meer nodig dan alleen de derde wet van Newton. Pixabay
Noot van de redactie 28/10 : Het oorspronkelijke antwoord op de vraag in dit verhaal was onjuist. We betreuren de fout en hebben het antwoord dienovereenkomstig bijgewerkt.
Elke week schrijven de lezers van onze ruimtenieuwsbrief, de luchtsluis , stuur hun vragen in voor ruimteverslaggever Neel V. Patel om te beantwoorden. Deze week: lichtsnelheid reizen.
Lezersvraag
Hier is een vraag die ik al sinds mijn kindertijd heb. Waarom gebruiken we de derde bewegingswet van Newton niet (elke actie heeft een gelijke en tegengestelde reactie) om ons te helpen met de snelheid van het licht door de ruimte te reizen? Gebruik gewoon krachtige lichten als ons voortstuwingssysteem voor onze raketten - aangezien fotonen met lichtsnelheid bewegen, moeten we met dezelfde snelheid in de tegenovergestelde richting worden geduwd. Waarom werkt dit niet? –– Kiran
Neels antwoord
Laten we een stap terug doen om deze vraag te beantwoorden. U zegt terecht dat de derde wet van Newton stelt dat elke actie een gelijke en tegengestelde reactie heeft. Een andere manier om dit uit te drukken is door te zeggen dat: momentum is behouden . In de mechanica van Newton is momentum het product van massa en snelheid. Een zwaar object dat langzaam beweegt, heeft veel momentum, en dat geldt ook voor een lichtgewicht object dat snel beweegt. Dit betekent echter niet dat alle betrokken snelheden opheffen. Als een pistool bijvoorbeeld afvuurt, is er een terugslag, maar omdat het pistool zwaarder is dan de kogel, is de terugslag veel langzamer dan de snelheid van de kogel.Fotonen, de lichtdeeltjes, hebben geen massa, maar paradoxaal genoeg wel momentum. Het momentum van een foton is omgekeerd evenredig met zijn golflengte. Fotonen met een langere golflengte, zoals radiogolven, hebben minder momentum, terwijl fotonen met een kortere golflengte, zoals zichtbaar licht of röntgenstralen, meer momentum hebben.
Dus ja, in principe kun je een ruimtevaartuig voortstuwen door een krachtig licht uit de achterkant te schieten.
Maar het momentum van elk foton is heel erg klein. (Het is een getal dat de constante van Planck wordt genoemd, die klein is, gedeeld door de golflengte van het foton.) Je zou heel veel fotonen nodig hebben.
Dit weerhoudt natuurkundigen en ingenieurs er niet van om na te denken over het ontwerp van zo'n fotonraket. Deze papier uit 1960 is de oudste samenvatting die we konden vinden. Paul Glister geeft een goed overzicht van deze geschiedenis hier . Het idee zou zijn om antimaterie op je ruimteschip te vervoeren. Wanneer materie en antimaterie samenkomen, komt er enorm veel energie vrij in de vorm van fotonen. Als je deze fotonen in één richting zou kunnen leiden, zou je een fotonraket hebben, wat inderdaad een geweldige manier zou zijn om in de ruimte rond te reizen. Je zou niet met de snelheid van het licht reizen, maar je zou heel snel hoge snelheden kunnen bereiken.
Maar er zijn een paar problemen met dit idee: ten eerste is het erg moeilijk om antimaterie te maken en op te slaan. Er zijn slechts minuscule hoeveelheden gemaakt en er is momenteel geen praktische manier om het aan boord van een ruimtevaartuig op te slaan. En zelfs als je met de huidige technologie een heleboel antimaterie zou kunnen bedenken, zou het nog steeds zo goed als onmogelijk zijn om de fotonen die worden gecreëerd in een bepaalde richting te sturen. Je zou waarschijnlijk gewoon zelfmoord plegen in een uitbarsting van straling.
Dat betekent niet dat het gebruik van licht voor voortstuwing in de ruimte uitgesloten is. Maar profiteren van het momentum dat door licht wordt geproduceerd, vereist een heroverweging van het ontwerp van uw ruimtevaartuig. In plaats van zelf het licht te creëren, reflecteer je in plaats daarvan licht dat op je ruimtevaartuig schijnt, of het nu van de zon is of van een kunstmatige bron, zoals een laser die vanaf de aarde op je ruimtevaartuig wordt gericht.
Dit is het principe achter zonnezeilen, die afhankelijk zijn van gereflecteerd zonlicht. De truc is om een materiaal te gebruiken dat extreem licht en reflecterend is. Wanneer licht dit materiaal raakt en weerkaatst, geeft het er momentum aan. Als het licht niet erg fel is, produceert dit slechts een kleine hoeveelheid kracht. Maar omdat u geen brandstof hoeft mee te nemen, kan de versnelling die door die kracht wordt veroorzaakt zich in de loop van de tijd ophopen. Dit maakt zonnezeilen (en laser- of maserzeilen) enorm aantrekkelijk.
Een handvol zonne zeilen zijn in de ruimte getest door NASA, het Japanse ruimteagentschap en de Planetary Society, een privégroep. Als je sterk reflecterende materialen kunt maken, kun je je zeilen blootstellen aan hogere energieën, hetzij door ze dicht bij de zon te plaatsen of door er zeer krachtige lasers op te laten schijnen. (Als het materiaal niet erg reflecterend is, zou helder licht, natuurlijk of kunstmatig, het gewoon doen smelten.) Dat is het idee achter ambitieuze projecten zoals Starshot die een laser op aarde proberen te gebruiken om kleine, lichtgewicht, reflecterende ruimtevaartuigen te versnellen tot zo wel tien procent van de lichtsnelheid.
Je hebt het dus niet helemaal verkeerd om aan licht te denken als een mogelijke vorm van voortstuwing. Het is alleen dat je waarschijnlijk niet het licht op het ruimteschip zelf zou genereren.
Om eerst onze lezersvragen te zien, moet u zich hier aanmelden voor The Airlock. Het is gratis en het wordt elke woensdag verzonden.