Selama Zaman Layar, kapal-kapal mengelilingi dunia dalam perjalanan penemuan dan perdagangan. Era tersebut berakhir pada tahun 1800-an, ketika mesin uap berbahan bakar batu bara mulai menggantikan tenaga angin. Sekarang kita mungkin memasuki era baru dalam berlayar—tapi kali ini di luar angkasa. Membalikkan sejarah, mesin dan bahan bakar dapat digantikan oleh layar pada beberapa pesawat ruang angkasa, yang didorong bukan oleh angin melainkan oleh sinar matahari.
Idenya masih dalam pengembangan, tapi kami tahu itu berhasil. Beberapa minggu yang lalu, NASA meluncurkan pesawat uji baru, sebuah satelit yang disebut Advanced Composite Solar Sail System (ACS3). Ia memiliki layar persegi selebar 9 meter yang memungkinkannya menyesuaikan jalur orbitnya.
Sekarang, untuk benar-benar pergi ke suatu tempat, Anda memerlukan layar yang jauh lebih besar, dan upaya NASA pembangunan gedung seluas 1.650 meter persegi ditinggalkan pada tahun 2022 karena tidak layak, mengingat anggaran yang ada. Tapi itu adalah masalah implementasi, yang saya yakin bisa diselesaikan oleh manusia pintar.
Jelasnya, ini tidak seperti memasang panel fotovoltaik di atap Anda untuk menghasilkan listrik. Banyak pesawat ruang angkasa dan penjelajah planet yang sudah menggunakannya. Ini sebenarnya adalah layar ultralight yang mengilap didorong oleh radiasi matahari. Nah, Anda mungkin bertanya: Kok bisa lampu memindahkan benda fisik?
Ekor Komet
Pertanyaan bagus! Lagi pula, ketika seseorang mengatakan bahwa mereka “terpesona” oleh keindahan matahari terbit, kita tidak membayangkan bahwa mereka benar-benar terpesona. Namun cahaya yang dipantulkan dari suatu permukaan benar-benar mengerahkan kekuatan fisik, meskipun kecil.
Salah satu contohnya adalah ekor pada komet. Anda mungkin mengira itu seperti jejak yang terlempar saat komet meluncur melintasi angkasa. Tidak. Lihat, komet pada dasarnya adalah bola salju besar yang kotor. Saat seseorang mendekati matahari, sebagian es tersebut berubah menjadi gas dan melepaskan awan debu. Cahaya matahari kemudian mendorong debu tersebut dalam aliran yang dapat membentang hingga jutaan mil—menyamping ke jalur komet!
Omong-omong, saat ini ada sebuah komet yang mendekat dan mungkin akan menampilkan pertunjukan spektakuler di bulan Oktober. Itu disebut Tsuchinshan–ATLASdan ekornya bahkan mungkin terlihat dengan mata telanjang.
Gelombang Elektromagnetik
Sekarang, cahaya merambat dalam gelombang, yang merupakan semacam “perpindahan bergerak”. Lihatlah gelombang laut: Air hanya bergerak ke atas dan ke bawah, tetapi perpindahan vertikal tersebut bergerak secara horizontal melintasi permukaan. Ini pasti bisa menjatuhkan Anda jika Anda masuk ke dalam air.
Namun gelombang cahaya berbeda dengan gelombang laut atau gelombang suara. Singkirkan air di laut dan Anda tidak memiliki ombak untuk berselancar. Hal yang sama juga berlaku untuk suara: Tidak akan ada gelombang jika tidak ada atmosfer yang bisa “melambainya”. Itu sebabnya ruang angkasa menjadi sunyi senyap.
Sebaliknya, cahaya dapat merambat melalui ruang kosong. Hal ini karena, dalam arti tertentu, gelombang cahaya adalah mediumnya sendiri. Alasannya adalah karena itu sebenarnya terbuat dari dua gelombang—ada gelombang medan listrik dan gelombang medan magnet. Itu sebabnya kami menyebutnya radiasi elektromagnetik.
Ini termasuk gelombang radio yang dipancarkan dari menara seluler, yang memiliki panjang gelombang satu meter hingga ratusan meter. Pada panjang gelombang yang sangat pendek (400 hingga 700 nanometer), gelombang elektromagnetik (EM) dapat berinteraksi dengan mata Anda. Kami menyebutnya cahaya tampak. Lakukan lebih pendek lagi dan Anda akan mendapatkan sinar-X.
Tapi inilah kuncinya: Komponen listrik dan magnet saling tegak lurus, dan keduanya tegak lurus terhadap arah rambat gelombang. Berikut ini animasi yang saya buat dari gelombang EM yang bergerak: Panah kuning adalah medan listrik, dan panah magenta adalah medan magnet. Keren, bukan?
Muatan Listrik dalam Medan Listrik
Sekarang mari kita lihat bagaimana gelombang EM berinteraksi dengan materi. Kita akan mulai dengan melihat apa yang terjadi pada partikel bermuatan listrik seperti proton (positif) atau elektron (negatif) dalam medan listrik. Misalkan ada suatu wilayah di ruang angkasa dengan medan listrik konstan (E) ke arah atas:
Misalkan proton mempunyai muatan sebesar +q coulomb; maka medan listrik tersebut memberikan gaya sebesar qx E ke arah lapangan, menyebabkannya berakselerasi ke atas. Untuk elektron negatif, gayanya berlawanan arah, ke bawah.
Memindahkan Muatan dalam Medan Magnet
Tapi itu hanya setengah cerita. Medan magnet juga berinteraksi dengan partikel bermuatan—tetapi anehnya, hanya jika partikel tersebut bergerak. Dan inilah bagian yang lebih aneh lagi: The arah gaya magnet ini, ditunjukkan oleh F panah di bawah, tegak lurus terhadap arah kecepatan partikel (qv) Dan arah medan magnet (B). Berikut tampilannya:
Jika ada partikel bermuatan negatif yang bergerak berlawanan arah, partikel tersebut akan mengalami gaya magnet yang searah dengan muatan positif. Bagaimana saya mengatakannya? Muatan berlawanan dan arah berlawanan—semacam kebalikan ganda.
Sekadar iseng, berikut demonstrasi gaya listrik dan magnet menggunakan kumparan Tesla dan tabung Crooke. Kumparan Tesla, di sebelah kiri, menghasilkan medan listrik yang sangat kuat—Anda dapat melihat percikan api darinya. Hal ini menyebabkan elektron di dalam tabung berakselerasi dari kiri ke kanan. Garis terang menunjukkan jalur aliran ini.
Sekarang saya akan mendekatkan kutub utara magnet ke berkas elektron. Anda dapat melihat bahwa berkasnya membelok ke atas (yang tegak lurus terhadap medan magnet dan kecepatan elektron). Hal ini menunjukkan elektron dibelokkan dan didorong oleh medan magnet.
Gelombang Elektromagnetik dan Materi
Oke, mari kita gabungkan semuanya. Misalkan kita mempunyai gelombang EM yang bergerak ke kanan pada saat medan listrik menunjuk ke atas. Jika medan ini bertemu dengan proton yang bermuatan positif, proton tersebut akan mulai bergerak ke atas.
Namun sekarang proton bergerak ke atas dan medan magnet mengarah ke luar, hal ini akan memberikan gaya pada—tunggu saja— arah yang sama gelombang EM merambat ke kanan. Harganya tidak lagi naik; sebaliknya, hal itu malah didorong ke depan.
Hal yang sama terjadi jika Anda mengganti proton dengan elektron yang bermuatan negatif: Ia akan mulai bergerak ke bawah karena adanya medan listrik. Namun karena ini adalah muatan yang bergerak, gaya magnet akan muncul dan partikel akan kembali terdorong ke arah gelombang.
Mengapa kita peduli dengan partikel subatom kecil ini? Karena semua materi terdiri dari proton dan elektron (bersama dengan neutron nonpartisan). Ledakan! Kami baru saja menunjukkan bahwa cahaya dapat mendorong benda fisik. Dan alasannya adalah karena cahaya itu punya keduanya medan listrik dan magnet.
Memperkirakan Kekuatan Cahaya
Jadi seberapa besar kekuatan yang bisa kita peroleh dari ini? Kekuatan medan listrik dan magnet dalam gelombang EM tidak independen satu sama lain; jika kamu tahu EAnda dapat menemukannya B. Dan semakin kuat medannya, semakin kuat interaksinya dengan materi.
Salah satu cara untuk menggambarkan efek gabungan adalah dengan vektor Poynting (S), yang … poin dalam arah perjalanan gelombang. (Fakta sebenarnya: Memang benar dinamai John Henry Poynting.) Dengan ini, kita dapat menghitung tekanan radiasi (P), yang merupakan gaya per satuan luas cahaya yang mengenai suatu permukaan.
Di Sini C adalah kecepatan cahaya (sekitar 3 x 108 meter per detik), dan S adalah besaran rata-rata vektor Poynting. Dengan asumsi vektor Poynting sinar matahari dengan nilai 1.350 watt per meter persegi, ini akan memberi kita tekanan radiasi sebesar 4,5 x 10–6 newton per meter persegi.
Jika kita menggunakan tekanan radiasi ini dengan layar surya ACS3 NASA (luas 81 meter persegi), kita mendapatkan gaya matahari sebesar 3,6 x 10–4 newton. Ya, itu kecil. Ini kira-kira setara dengan gaya gravitasi sebutir garam di tangan Anda. Tapi hei, ini adalah daya gratis yang tersedia dalam persediaan tak terbatas!
Dan pikirkan apa yang terjadi seiring berjalannya waktu: Selama matahari bersinar, gaya tersebut terus diterapkan, sehingga pesawat akan terus berakselerasi. Tanpa hambatan di ruang hampa, ia sebenarnya bisa mencapai kecepatan sangat tinggi dalam jarak jauh.
Yang terbaik dari semuanya, Anda menghilangkan kebutuhan akan bahan bakar. Mesin roket menghasilkan daya dorong dengan menggunakan reaksi kimia untuk menembakkan benda dari belakang. Tetapi untuk mengeluarkan massa, Anda harus membawa massa, dan Anda hanya dapat membawa sebanyak itu. Itu sebabnya layar surya seharusnya memungkinkan kita pergi lebih jauh ke luar angkasa.
Namun untuk saat ini kita masih melihat komet Tsuchinshan–ATLAS yang akan datang pada bulan Oktober. Mudah-mudahan tenaga matahari yang sangat kecil pada serpihan debu akan mendorong dalam waktu yang cukup lama untuk menciptakan ekor yang besar dan indah. Saya pikir ini akan menjadi luar biasa.
