Un razzo a fotoni è un tipo di razzo ipotetico che usa per la propulsione la spinta generata dall'emissione di fotoni sfruttando il fenomeno della pressione di radiazione^[1].

I fotoni potrebbero essere prodotti da un generatore situato a bordo dell'astronave, come nel caso del razzo nucleare fotonico. Nei casi da manuale riguardanti questo tipo di razzo, la situazione ideale si ha quando tutto il propellente è convertito in fotoni, che vengono riuniti in un fascio concentrato e irradiati nella stessa direzione. Più realisticamente, bisogna tenere conto che il fascio di fotoni non sarebbe perfettamente collimato, che non tutto il propellente sarebbe convertito in fotoni e così via.

Il generatore di energia potrebbe essere costituito da un reattore nucleare a fissione o da un reattore nucleare a fusione; in questi casi la massima velocità raggiungibile sarebbe pari a un decimo della velocità della luce, valore troppo basso per effettuare viaggi interstellari in tempi ragionevoli^[2].

Eugen Sänger ha proposto negli anni cinquanta di usare l'antimateria, sfruttando il processo di annichilazione fra elettroni e positroni. Questo processo produce fotoni gamma, che hanno un'energia maggiore dei fotoni visibili; secondo Sänger, un razzo spinto da questo tipo di fotoni potrebbe raggiungere una velocità vicina a quella della luce^[3]. È stato calcolato che un razzo fotonico ad antimateria potrebbe raggiungere in un anno il 90% della velocità della luce, ma richiederebbe grandi quantità di propellente e consumerebbe un'energia di 475.000.000 di MW^[4] (a titolo di paragone, si pensi che nel 2012 il consumo di energia elettrica in Italia è stato di circa 342.000.000 di MWh^[5]). Ammettendo che si riesca a risolvere il problema della produzione e immagazzinamento delle necessarie quantità di antimateria, rimane il problema di concentrare e dirigere il fascio di fotoni e a tal fine Sänger ha proposto di usare uno specchio composto da un gas di elettroni posto ad un'estremità dell'astronave; la cabina dell'equipaggio sarebbe posta all'altra estremità dell'astronave, per avere protezione dalle radiazioni. È stato calcolato che lo specchio proposto da Sänger dovrebbe avere un diametro misurabile in chilometri; di conseguenza, le dimensioni totali del razzo sarebbero enormi^[6]. La realizzazione di un razzo a fotoni di questo tipo è teoricamente fattibile, ma presenterebbe enormi problemi scientifici e tecnici la cui soluzione è molto al di là delle attuali tecnologie^[7].

In altre ipotesi teoriche, i generatori di fotoni e l'astronave sono fisicamente separati. Nella propulsione alimentata da raggi laser, i fotoni sono indirizzati dal generatore all'astronave usando raggi laser, che forniscono la spinta. Questo tipo di propulsione laser è ancora poco efficiente e deve essere di molto migliorata prima di pensare che possa essere utilizzata per i viaggi interstellari^[2].

La velocità che un razzo fotonico ideale con generatore a bordo raggiungerà, in assenza di forze esterne, dipende dal rapporto:

${\displaystyle v=c{\frac {\left({\frac {m_{i}}{m_{f}}}\right)^{2}-1}{\left({\frac {m_{i}}{m_{f}}}\right)^{2}+1}}}$

dove ${\displaystyle m_{i}}$ è la massa iniziale e ${\displaystyle m_{f}}$ è la massa finale.

Il fattore gamma corrispondente a questa velocità ha la semplice espressione:

${\displaystyle \gamma ={\frac {1}{2}}\left({\frac {m_{i}}{m_{f}}}+{\frac {m_{f}}{m_{i}}}\right)}$

Si indica il quadrimpulso del razzo in riposo come ${\displaystyle P_{i}}$, il razzo dopo che ha bruciato il propellente come ${\displaystyle P_{f}}$, e il quadrimpulso dei fotoni emessi come ${\displaystyle P_{\text{ph}}}$. La conservazione del quadrimpulso implica che:

${\displaystyle P_{\text{ph}}=P_{i}-P_{f}}$

elevando al quadrato entrambi i lati (per es. prendendo il prodotto dello scalare di Lorentz di entrambi i lati con se stessi) si ottiene:

${\displaystyle P_{\text{ph}}^{2}=P_{i}^{2}+P_{f}^{2}-2P_{i}\cdot P_{f}}$

Secondo la relazione energia-momento, il quadrato del quadrimpulso è uguale al quadrato della massa e ${\displaystyle P_{\text{ph}}^{2}=0}$ poiché tutti i fotoni si muovono nella stessa direzione. Perciò l'equazione sopra riportata può essere scritta come:

${\displaystyle 0=m_{i}^{2}+m_{f}^{2}-2m_{i}m_{f}\gamma }$

Risolvendo il fattore gamma, si ottiene:

${\displaystyle \gamma ={\frac {1}{2}}\left({\frac {m_{i}}{m_{f}}}+{\frac {m_{f}}{m_{i}}}\right)}$

• Viaggio interstellare

• Whatever happened to Photon Rockets?, su armaghplanet.com. URL consultato l'8 marzo 2015 (archiviato dall'url originale il 20 febbraio 2015).
• Prospective of Photon Propulsion for Interstellar Flight (PDF), su ykbcorp.com. URL consultato il 9 marzo 2015 (archiviato dall'url originale il 28 dicembre 2015).

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