O programa Breakthrough Starshot visa cruzar imensas distâncias até a estrela mais próxima em apenas décadas. Usar um laser de alta potência para impulsionar uma tecnologia de vela reflexiva a velocidades relativísticas é sua missão. A seleção do material da vela é fundamental para o seu sucesso, pois deve ser leve e ao mesmo tempo capaz de suportar a aceleração e a radiação do laser. Um estudo recente explora vários materiais e propõe que estruturas core-shell – partículas esféricas compostas de dois materiais diferentes – podem ser uma solução promissora.
Breakthrough Starshot é um projeto ambicioso para explorar o espaço interestelar, enviando espaçonaves minúsculas e leves para o sistema estelar mais próximo, Alpha Centauri. O projeto planeja usar lasers terrestres de alta potência para acelerar ‘velas leves’ reflexivas, permitindo que a espaçonave atinja velocidades relativísticas e viaje 4,37 anos-luz em apenas alguns anos. Cada espaçonave será equipada com pequenos sensores e sistemas de comunicação, coletando dados sobre exoplanetas e outros fenômenos interestelares ao longo do caminho. Se for bem-sucedido, poderá marcar o nosso primeiro passo na exploração de sistemas estelares distantes e na procura de vida extraterrestre.
Viajar em velocidades relativísticas, que são velocidades próximas à velocidade da luz, apresenta possibilidades surpreendentes, mas traz consigo imensas dificuldades. A estas velocidades, a dilatação do tempo (um fenómeno previsto pela teoria da relatividade de Einstein) faz com que o tempo passe mais lentamente para o viajante em relação aos observadores na Terra, potencialmente permitindo viagens a estrelas distantes dentro de uma única vida humana, da perspectiva do viajante. No entanto, isso não será um problema para a Starshot, pois eles planejam enviar apenas pequenas espaçonaves. No entanto, atingir tais velocidades, mesmo para o Starshot, requer a superação de imensas demandas de energia, já que a energia cinética necessária aumenta exponencialmente com a velocidade. O ambiente a velocidades relativísticas também se torna particularmente perigoso. Colisões com partículas em velocidades tão altas poderiam facilmente destruir naves espaciais, e a exposição à radiação se intensificaria devido aos efeitos relativísticos.
Para completar a viagem em algumas décadas, a nave espacial precisa de ser acelerada até cerca de 20% da velocidade da luz, trazendo consigo todos os problemas acima descritos. A seleção do material certo para as velas é fundamental. Num artigo publicado recentemente por Mitchell R. Whittam, Lukas Rebholz, Benedikt Zerulla e Carsten Rockstuhl do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe, na Alemanha, a equipe relata os resultados de sua busca pelo melhor material. Em particular, eles concentram a atenção nas chamadas esferas core-shell.
As estruturas são baseadas em um desenho matricial que tem suas origens na Teoria de Mie. Esta estrutura matemática foi desenvolvida pelo físico alemão Gustav Mie em 1908 para descrever como as partículas esféricas espalham ondas eletromagnéticas como a luz. Em seu estudo, eles exploram as propriedades reflexivas e os tempos de aceleração de esferas feitas de alumínio, silício, dióxido de silício e diversas combinações.
Os resultados foram promissores, com um invólucro composto por uma combinação de silício e dióxido de silício produzindo os melhores resultados. O trabalho oferece uma visão significativa sobre a estrutura dos materiais para velas leves. Embora não seja um resultado definitivo, eles mostraram que as esferas core-shell, que eram uma área anteriormente inexplorada da física das velas leves, são um caminho promissor a ser explorado para futuros trabalhos experimentais.
