Puna jedra i široki horizont – prostranstvo bez kraja – bio je to romantičan san istraživača, avanturista i putnika u zlatno doba drvenih brodova. Za one koji, poput pokojnog Carla Sagana, osjećaju taj drevni poriv za lutanjem i sanjaju o putovanju između zvijezda, čini se ispunjenjem želja da će ta putovanja po drugi put u povijesti biti pogonjena jedrima, no vjetar u njima bit će sazdan od čiste svjetlosti.
Svjetlost možda nema masu – zato se i kreće istoimenom brzinom – ali to ne znači da nema impulsni moment. Foton koji se odbije od neke površine na njega djeluje silom, nezamislivo malenom, ali još uvijek mjerljivom. Uz dovoljno fotona koji jure u istom pravcu, jedro sačinjeno od laganog, refleksivnog materijala može osjetiti dovoljno sile da počne ubrzavati, pa čak i vući koristan teret za sobom. Da Sunce može služiti kao pogon, shvatio je još Johannes Kepler u 17. stoljeću, promatrajući kako se repovi kometa okreću od Sunca. Napisao je tada Galileu: "Napravite brodove ili jedra prilagođene nebeskim povjetarcima, i bit će i onih koji će se odvažiti i u tu prazninu."
Jedno se takvo jedro upravo raširilo u svemiru krajem kolovoza ove godine, i zaplovilo u orbiti oko Zemlje. Radi se o NASA-inoj eksperimentalnoj letjelici, prozaično nazvanoj ACS3 (Advanced Composite Solar Sail System – Sustav solarnog jedra s naprednim kompozitima), koja služi kao demonstrator ove tehnologije. ACS3 je sićušna letjelica – spada u kategoriju takozvanih cubesatova, kvadra baze 23 puta 23 centimetra i visine 33 centimetra, težine manje od 16 kilograma. No, jedro koje je raširila ovog ljeta ima površinu od 80 kvadratnih metara, veličine pola teniskog igrališta. Umjesto od platna, jedro je izrađeno od tankog polimerskog filma, s jedne strane prekrivenog refleksivnim aluminijem, a s druge strane kromom zbog njegovih termalnih svojstava.
Četiri pravokutna trokuta jedra razapeta su između četiri deblenjaka ili buma izrađenih od složenih polimera ojačanih ugljikovim vlaknima, koji se u majušnu sunčevu jedrilicu mogu upakirati namotani. Upravo su ti deblenjaci – čak 70 posto lakši od svih prethodnih metalnih verzija – glavni element koji se testira u ovoj NASA-inoj misiji. Pritisak svjetlosti Sunca neprekidan je, ali izrazito slab pa je svaki gram mase koji se može uštedjeti u izradi letjelice presudan za njezinu pokretljivost. Kompozitni deblenjak za sada radi kako je i zamišljeno, a NASA računa kako bi već sljedeća letjelica mogla imati površinu jedara od 500 kvadratnih metara, a novija verzija kompozita koja se upravo razvija mogla bi omogućiti i površinu jedara do 2000 kvadrata.
Solarne jedrilice iznimno su zanimljiva tehnologija za buduće planove istraživanja Sunčevog sustava, ali i za potencijalne međuzvjezdane sonde. Japanska eksperimentalna letjelica IKAROS bila je prva međuplanetarna sonda koja je 2010. otputovala do Venere uz pomoć solarnih jedara. IKAROS je imao jedra površine gotovo 200 kvadratnih metara, težine tek dva kilograma, u koja su bili ugrađeni i tanki, savitljivi solarni paneli za proizvodnju električne energije, te 80 LCD panela koji su mogli mijenjati svoju reflektivnost kako bi se upravljalo letjelicom. ACS3 ima znatno jednostavniji dizajn – solarni paneli odvojeni su od jedra i rastvaraju se iz šasije letjelice, a umjesto LCD panela letjelica manevrira namještanjem kuta jedra, još više nalik morskoj jedrilici.
Glavni ograničavajući faktor međuplanetarnih misija unutar Sunčevog sustava je gorivo koje letjelice moraju nositi kako bi mijenjale svoj smjer i brzinu. Sonde koje se koriste raketnim pogonom moraju manje-više pratiti putanju koja im je zadana prilikom lansiranja sa Zemlje, kada su dobile najveći dio svoje brzine. Uz kreativno korištenje svojstava orbitalne mehanike i gravitacijskih praćki – korištenja bliskih prolaza pored drugih planeta za dodavanje brzine letjelici – takve su sonde obilježile većinu protekle ere istraživanja svemira, no one su imale gotovo minimalnu fleksibilnost. Ukoliko bi trebale posjetiti više od jednog nebeskog tijela, to bi mogle učiniti samo u brzom preletu.
Proteklih se desetljeća sve više koristi i električni ili ionski pogon, u kojem se kao potisna masa koriste ioni lansirani iz letjelice vrtoglavim brzinama. Ovakav pogon, za razliku od raketnog, troši iznimno malo goriva. Iako nema snažan potisak, može ga pružati gotovo neprekidno, i tako omogućiti značajne promjene brzina letjelice tijekom njezine misije. Te je prednosti iskoristila NASA-ina letjelica Dawn, sonda s ionskim pogonom koja je prva ušla u orbite dva odvojena nebeska tijela unutar asteroidnog pojasa. Prvo je provela 14 mjeseci oko asteroida Veste, a potom se uspjela preseliti do patuljastog planeta Ceresa, oko kojeg orbitira i danas.
Njezini su joj motori i gorivo omogućili promjenu brzine od oko 11 kilometara u sekundi, znatno više nego što bi mogla bilo koja sonda na raketni pogon nakon odvajanja od svoje lansirne rakete. Procjenjuje se kako bi napredniji električni potisnici mogli omogućiti promjenu brzine od čak sto kilometara u sekundi, što bi omogućilo sondama putovanja i do vanjskih planeta Sunčevog sustava. No, to još uvijek nije dovoljno za međuzvjezdana putovanja.
Solarne jedrilice, s druge strane, nemaju nikakva ograničenja oko promjene brzine, dokle god imaju dovoljno vremena na raspolaganju. Letjelice poput ACS3 ograničene su isključivo izdržljivošću materijala od kojih su izrađene i robusnošću elektroničkih sustava koji njima upravljaju. Kako se znanstveni instrumenti na sondama sve više minijaturiziraju, letjelice koje ne trebaju gorivo i imaju minimum pokretnih dijelova mogle bi postići velike brzine i obaviti mnoge znanstvene misije na više nebeskih tijela zaredom, dokle god su dovoljno blizu Suncu kako bi dobile značajniji potisak. Njihova najveća prednost u budućnosti mogla bi biti u tome što ne moraju ovisiti ni o Suncu. Fazno polje lasera usmjerenih prema jedru minijaturizirane sonde moglo bi ju ubrzati do vrtoglavih brzina – gotovo četvrtinu ili trećinu brzine svjetlosti.
Upravo na takve tehnologije računa projekt Breakthrough Starshot, inicijativa koju su još 2016. začeli pokojni Stephen Hawking te Mark Zuckerberg i Yuri Milner. Uz polje lasera zajedničke snage oko sto gigavata, mikrosonde težine nekoliko grama, s jedrom promjera pet metara, mogle bi u desetak minuta biti ubrzane do 0,25 brzine svjetlosti. Takve bi jedrilice stigle do nama najbliže zvijezde, Proksima Centaure, za 20 do 30 godina – unutar ljudskog životnog vijeka. Ondje bi mogle odraditi prelet iznad planeta nalik Zemlji koji se nalazi unutar nastanjive zone oko zvijezde i poslati podatke natrag na Zemlju, koji bi stigli za nešto više od četiri godine. Za ubrzavanje bi se koristile laserske platforme smještene u orbiti Zemlje ili na površini Mjeseca, koje bi služile i za niz drugih misija unutar Sunčevog sustava – jeftin, pouzdan i iznimno učinkovit pogon za istraživanje svemira, kako oko našeg Sunca, tako i oko drugih zvijezda.
Uz nove deblenjake od kompozitnih materijala, sve naprednija jedra i sve sitnija računala i senzore, otvaraju se i kreativnije mogućnosti za misije solarnih jedrenjaka. Manevrabilnije jedrilice mogle bi koristiti svoja jedra za usporavanje, zajedno s gravitacijskim praćkama u ciljanom sustavu, kako bi se zadržale oko planeta koje žele proučavati i redovito slale podatke. Iako bi njihove putanje bile sporije od izravne putanje za prelet, i njihova bi putovanja trajala znatno duže, ovakve sonde bi mogle trajati gotovo neograničeno dugo, a čovječanstvo bi postepeno, kroz desetljeća koja dolaze, moglo stvoriti mrežu istraživačkih sondi prisutnih u svim nama bliskim zvjezdanim sustavima.
