Un novedoso sistema de difracción puede conseguir que las naves espaciales de navegación por láser se mantengan en rumbo hasta Alfa Centauri.
Los científicos proponen utilizar potentes láseres y materiales nanoscópicamente delgados. Una vela de este tipo podría transportar una sonda del tamaño de un microchip a una quinta parte de la velocidad de la luz. Para garantizar que no se desintegran, se necesita maximizar su capacidad de irradiar calor. Este es el único modo de transferencia de calor disponible en el espacio. Los autores jugaron con las diferencias en el tiempo de aceleración a fin de encontrar el equilibrio correcto entre las tensiones mecánicas y térmicas. Los investigadores están experimentando ahora con velas capaces de centrarse si se desplazan en cualquier dirección, no solo hacia la izquierda o hacia la derecha.
Un novedoso sistema de difracción puede conseguir que las naves espaciales de navegación por láser se mantengan en rumbo hasta Alfa Centauri.
Como parte de la Iniciativa Breakthrough Starshot, un equipo de investigadores ha estudiado nuevas formas, tamaños y materiales para elaborar una vela ligera de velocidades relativistas.
Los científicos, liderados por Igor Bargatin de la Universidad de Pensilvania, proponen utilizar potentes láseres y materiales nanoscópicamente delgados. Una vela de este tipo podría transportar una sonda del tamaño de un microchip a una quinta parte de la velocidad de la luz.
Investigaciones anteriores han apuntado que la "navegación ligera" podría ser una de las formas técnicamente factibles de llevar una sonda a otra estrella dentro del periodo de una vida humana.
Aunque la luz no ejerce mucha presión, los científicos llevan sugiriendo durante mucho tiempo que lo poco que aplica podría tener un efecto importante. De hecho, numerosos experimentos han demostrado que las "velas solares" pueden depender de la luz solar para la propulsión con un espejo lo suficientemente grande y una nave espacial lo suficientemente liviana.
Esto es lo suficientemente rápido como para hacer el viaje al sistema Alpha Centauri en aproximadamente 20 años. “Alcanzar otra estrella dentro de nuestras vidas requerirá una velocidad relativista, o algo cercano a la velocidad de la luz”, dijo el Dr. Bargatin.
La iniciativa Breakthrough Starshot de $100 millones, que se anunció en 2016, y planea lanzar enjambres de naves espaciales del tamaño de un microchip a Alfa Centauri, cada una de ellas con velas extraordinariamente delgadas e increíblemente reflectantes impulsadas por los láseres más potentes jamás construidos. El plan es acelerarlas hasta un 20% de la velocidad de la luz, llegando a Alfa Centauri en unos 20 años.
El primer artículo demuestra que las velas ligeras de Starshot, propuestas para ser construidas con láminas ultrafinas de óxido de aluminio y disulfuro de molibdeno, deberán ondear como un paracaídas en lugar de permanecer planas, como lo suponía gran parte de la investigación anterior.
“La intuición aquí es que una vela muy tensa, ya sea en un velero o en el espacio, es mucho más propensa a desgarrarse”, explicó Bargatin. «Es un concepto relativamente fácil de comprender, pero necesitábamos hacer cálculos matemáticos muy complejos para mostrar cómo se comportan los materiales a esta escala», añadió.
En vez de una hoja plana, los autores sugieren que una estructura curva, tan profunda como ancha, sería más capaz de soportar la tensión de la hiperaceleración de la vela, un tirón miles de veces mayor que la gravedad terrestre.
“Los fotones láser llenarán la vela como el aire infla una pelota de playa. Y sabemos que los contenedores ligeros y presurizados deben ser esféricos o cilíndricos para evitar roturas y grietas. Piense en los tanques de propano o incluso en los tanques de combustible de los cohetes”, indicó Matthew Campbell, también de la Universidad de Pensilvania.
En el segundo artículo, los científicos proporcionaron información sobre cómo los patrones a nanoescala dentro de la vela podrían disipar de manera más eficiente el calor que viene junto con un rayo láser un millón de veces más poderoso que el Sol.
“Si las velas absorben incluso una pequeña fracción de la luz láser incidente, se calentarán a temperaturas muy altas”, señaló Aaswath Raman, investigador de la Universidad de California en Los Ángeles.
Para garantizar que no se desintegran, se necesita maximizar su capacidad de irradiar calor. Este es el único modo de transferencia de calor disponible en el espacio. Los autores jugaron con las diferencias en el tiempo de aceleración a fin de encontrar el equilibrio correcto entre las tensiones mecánicas y térmicas.
Los diseños de velas ligeras anteriores actúan como espejos que reflejan haces de luz en su origen. En el nuevo diseño, los cristales líquidos en cada rejilla de difracción desvían los rayos de luz en ángulo, generando impulsos que envían la vela hacia atrás y hacia los lados.
La rejilla en el lado izquierdo de la nueva vela desvía la luz a la derecha del rayo láser, mientras que la rejilla en el lado derecho desvía la luz hacia la izquierda. Si la vela se desplaza y el rayo láser cae a ambos lados de la vela, eso empuja la vela a su posición con la luz que cae en su centro.
Los investigadores, que detallaron sus hallazgos en la revista Physical Review Letters, están experimentando ahora con velas capaces de centrarse si se desplazan en cualquier dirección, no solo hacia la izquierda o hacia la derecha.
En el futuro sus velas podrían probarse en la Estación Espacial Internacional o en un pequeño satélite alrededor de la Tierra. Un primer paso hasta que los humanos lleguemos a experimentar los viajes interestelares.
Referencia:
Matthew F. et al. Relativistic Light Sails Need to Billow. ACS Publications 2022. DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c03272
