Η ιδέα να χρησιμοποιήσουμε το φως του ήλιου σαν κινητήριο δύναμη σε διαστημόπλοια δεν συμφωνεί με τους νόμους της θερμοδυναμικής

Από σελίδα του NewScientist, 4 Ιουλίου 2003

Η επόμενη γενιά των συστημάτων προώθησης διαστημικών σκαφών θα μπορούσε να είναι ήδη αποτυχημένη, πριν ακόμη κανένα από αυτά προωθηθεί. Ένας φυσικός, ο Thomas Gold, ισχυρίζεται ότι η ηλιακή ιστιοπλοΐα - η ιδέα της χρησιμοποίησης του φωτός του ήλιου για να ωθήσει το διαστημικό σκάφος πέρα από το ηλιακό μας σύστημα  - είναι σε διαφωνία με τους νόμους της θερμοδυναμικής.

Και η NASA και η Ευρωπαϊκή Διαστημική Υπηρεσία αναπτύσσουν τα ηλιακά ιστία που θα  ωθούνται από το ηλιακό φως και, αν και δεν έχουν δοκιμαστεί ποτέ, η ιδέα είναι αρκετά απλή. Ένα ηλιακό ιστίο είναι ουσιαστικά ένας γιγαντιαίος καθρέφτης που ανακλά τα φωτόνια του φωτός του ήλιου πίσω, προς την κατεύθυνση από την οποία ήρθαν. 

Αν και τα φωτόνια δεν έχουν μάζα, θεωρούνται ότι έχουν ορμή, κι έτσι σύμφωνα με το νόμο της διατήρησης της ορμής, το φωτόνιο δίνει ένα ποσό της ενέργειας του στο ιστίο ή πανί, καθώς το φωτόνιο ανακλάται πάνω σε αυτό, δίνοντας έτσι στο πανί μια ώθηση προς την ίδια αρχική κατεύθυνση του φωτονίου.

Αλλά ο Thomas Gold από το Πανεπιστήμιο Cornell στη Νέα Υόρκη λέει ότι οι υπερασπιστές της ηλιακής ιστιοπλοΐας έχουν ξεχάσει τη θερμοδυναμική, τον κλάδο της φυσικής που ασχολείται με τους νόμους της μεταφοράς της θερμότητας.

Τέλειοι καθρέφτες

Τα ηλιακά ιστία σχεδιάζονται έτσι ώστε να είναι τέλειοι καθρέφτες, κάτι που σημαίνει ότι ανακλούν όλα τα φωτόνια που προσπίπτουν πάνω τους (Οι εικόνες πάνω δείχνουν την καθιερωμένη θεωρία των ηλιακών ιστίων).

Ο Gold υποστηρίζει ότι όταν ανακλώνται τα φωτόνια από έναν τέλειο καθρέφτη, αυτά δεν παθαίνουν καμιά μείωση της θερμοκρασίας και της ενέργειας τους. Συνεπώς δεν μεταφέρεται ενέργεια στα ιστία. (Η κάτω εικόνα δείχνει τη θεωρία του Gold).

Αυτός φέρνει σαν παράδειγμα το θερμοδυναμικό νόμο του Carnot, ο οποίος βασικά δηλώνει ότι δεν παίρνετε ποτέ ενέργεια αν δεν δώσετε. Αν δεν υπάρχει καμία αλλαγή στη θερμοκρασία, όταν ανακλώνται τα φωτόνια στο ιστίο, τότε είναι αδύνατο να αφαιρέσουμε οποιαδήποτε ελεύθερη ενέργεια από αυτά, για να τη μεταβιβάσουμε στο ιστίο και να κινηθεί εμπρός.

"Ο νόμος του Carnot λέει ότι πρέπει να υπάρχει μια υποβάθμιση της ενέργειας σε οποιαδήποτε μηχανή που δίνει ελεύθερη ενέργεια", εξηγεί ο Gold. "Ένας καθρέφτης δεν κάνει καμιά υποβάθμιση στην ενέργεια".

Αυτό δεν σημαίνει ότι το φως του ήλιου δεν μπορεί να ασκήσει δύναμη - οι ουρές των κομητών κατευθύνονται αντίθετα από τον ήλιο, και αυτό αναφέρεται συχνά ως αποδεικτικό στοιχείο υπέρ των ηλιακών ιστίων. Αλλά ο Gold λέει ότι αυτό γίνεται επειδή η ουρά των κομητών δεν είναι ένας τέλειος καθρέφτης: Ο κομήτης απορροφά κάποιο μέρος του φωτός. Με την υπόθεση αυτή ο νόμος του Carnot λέει ότι μπορεί να εξαχθεί ένα μέρος ενέργειας, όσο το αντικείμενο που απορροφά το φως παραμένει ψυχρότερο από την ίδια την ακτινοβολία. 

Η Θέρμανση των ιστίων

Ένα ηλιακό ιστίο που θα απορροφούσε φωτόνια θα θερμαινόταν μέσα σε δευτερόλεπτα, σχολιάζει ο Gold. 
Ο ισχυρισμός αυτός έχει αντιμετωπιστεί με σκεπτικισμό από άλλους. "Μπορεί να υπάρχουν όρια στο ποσόν της ηλιακής ακτινοβολίας που θα μετατραπεί σε έργο, αλλά δεν νομίζω ότι αυτά τα όρια τα επιβάλλει η θερμοδυναμική" λέει ο Jeffrey Lewins, ένας ειδικός της θερμοδυναμικής στο πανεπιστήμιο του Cambridge. 

O Gold όμως επιμένει ότι η θερμοδυναμική πρέπει να ληφθεί υπ' όψιν. "Δεν είναι σωστό να λέμε ότι δεν μπορεί μεν η θερμότητα να μετατραπεί σε ελεύθερη ενέργεια, αλλά μπορεί να γίνει αυτό αν την μετατρέψω πρώτα σε ακτινοβολία" λέει ο ίδιος. "Κάτι τέτοιο προφανώς δεν στέκει". 

Ο Steven Soter, ένας αστρονόμος στο πλανητάριο Hayden της Ν. Υόρκης, είναι ανοιχτός στην ιδέα του Gold. Αυτός λέει ότι θα μπορούσε να είναι λάθος η εφαρμογή της διατήρησης της ορμής για τα φωτόνια. "Το φως είναι πολύ διαφορετικό από την ύλη και μπορούμε ν' αναρωτηθούμε αν και οι κανόνες για την ορμή του δεν είναι διαφορετικοί." 

Κάποιες ενδείξεις για την υποστήριξη των ιδεών του Gold, μπορούν να προέλθουν από μια συσκευή που λέγεται ακτινόμετρο του Crookes. Αποτελείται από 4 πτερύγια κολλημένα σ' έναν άξονα που μπορεί να περιστρέφεται ελεύθερα. Όλο αυτό βρίσκεται μέσα σ' ένα κώδωνα απ' όπου έχει αφαιρεθεί ο αέρας. Η μια πλευρά των πτερυγίων είναι επαργυρωμένη, ενώ η άλλη είναι καλυμμένη με μια μαύρη ουσία που απορροφά το φως. 

Όταν η συσκευή τοποθετηθεί στο φως ο άξονας και τα πτερύγια περιστρέφονται. Αν η θεωρία για τα ηλιακά ιστία είναι σωστή, ο ρότορας αυτός θα έπρεπε να περιστρέφεται κατά τρόπο ώστε οι ανακλαστικές επάργυρες επιφάνειές του να κινούνται απομακρυνόμενες από την πηγή του φωτός. Αλλά στην πραγματικότητα στρέφεται προς την αντίθετη κατεύθυνση, όπως προβλέπει ο Gold. 

Το θέμα θα μπορούσε να ξεκαθαριστεί τον Σεπτέμβριο, όταν η Διαπλανητική Εταιρία με έδρα την Pasadena της California, θα εκτοξεύσει το Cosmos 1, το πρώτο διαστημικό "ιστιοφόρο." Το όχημα βάρους 100kg θα τεθεί σε τροχιά γύρω από τη Γη, πριν ξεδιπλώσει ένα σύνολο από ανακλαστικά πτερύγια, σε μια προσπάθεια ν' αυξήσει το ύψος του με την ενέργεια που θα πάρει από αυτά. Ο Louis Friedman, που διευθύνει το πρόγραμμα, δεν έχει καμφθεί από την κριτική του Gold. "Η προώθηση με το ηλιακό φως είναι δυνατή" επιμένει.