Primeros pasos hacia el desarrollo de velas de luz interestelares

Primeros pasos hacia el desarrollo de velas de luz interestelares

Científicos de Caltech han desarrollado una plataforma para caracterizar las membranas ultrafinas que puedan usarse para fabricar velas capaces de mover naves espaciales en el espacio intertestelar.

El concepto es utilizar láseres para propulsar sondas espaciales en miniatura acopladas a "velas impulsadas por luz" para alcanzar velocidades ultrarrápidas y, eventualmente, nuestro sistema estelar más cercano, Alfa Centauri.

"La vela de luz viajará más rápido que cualquier nave espacial anterior, con el potencial de abrir eventualmente distancias interestelares para la exploración espacial directa a las que ahora solo se puede acceder mediante observación remota", explica en un comunicado Harry Atwater, presidente de la División de Ingeniería y Ciencias Aplicadas y profesor de Física Aplicada y Ciencia de los Materiales en Caltech.

Su plataforma de pruebas incluye un modo de medir la fuerza que ejercen los láseres sobre las velas y que se utilizará para enviar la nave espacial a través del espacio. Los experimentos del equipo marcan el primer paso para pasar de propuestas teóricas y diseños de velas de luz a observaciones y mediciones reales de los conceptos clave y materiales potenciales.

"El desarrollo de una membrana que pueda utilizarse como vela de luz implica numerosos desafíos. Debe soportar el calor, mantener su forma bajo presión y desplazarse de forma estable a lo largo del eje de un rayo láser", afirma Atwater. "Pero antes de que podamos empezar a construir una vela de este tipo, necesitamos entender cómo responden los materiales a la presión de radiación de los láseres. Queríamos saber si podíamos determinar la fuerza que se ejerce sobre una membrana simplemente midiendo sus movimientos. Resulta que podemos".

Un artículo que describe el trabajo aparece en la revista Nature Photonics.

El objetivo es caracterizar el comportamiento de una vela de luz que se mueve libremente. Pero como primer paso, para comenzar a estudiar los materiales y las fuerzas propulsivas en el laboratorio, el equipo creó una vela de luz en miniatura que está atada en las esquinas dentro de una membrana más grande.

EXPERIMENTOS EN LABORATORIO

Los investigadores utilizaron equipos del Instituto de Nanociencia Kavli de Caltech y una técnica llamada litografía por haz de electrones para crear un patrón cuidadoso de una membrana de nitruro de silicio de apenas 50 nanómetros de espesor, creando algo que parece un trampolín microscópico.

El mini trampolín, un cuadrado de apenas 40 micras de ancho y 40 micras de largo, está suspendido en las esquinas mediante resortes de nitruro de silicio. Luego, el equipo golpeó la membrana con luz láser de argón en una longitud de onda visible. El objetivo era medir la presión de radiación que experimentaba la vela luminosa en miniatura midiendo los movimientos del trampolín a medida que subía y bajaba.

Pero la imagen desde una perspectiva física cambia cuando la vela está atada, dice el coautor principal Lior Michaeli, investigador postodoctoral en física aplicada: "En este caso, la dinámica se vuelve bastante compleja".

La vela actúa como un resonador mecánico, vibrando como un trampolín cuando es golpeada por la luz. Un desafío clave es que estas vibraciones son impulsadas principalmente por el calor del rayo láser, que puede enmascarar el efecto directo de la presión de la radiación. Michaeli dice que el equipo convirtió este desafío en una ventaja y señala: "No solo evitamos los efectos de calentamiento no deseados, sino que también usamos lo que aprendimos sobre el comportamiento del dispositivo para crear una nueva forma de medir la fuerza de la luz".

El nuevo método permite que el dispositivo actúe además como medidor de potencia para medir tanto la fuerza como la potencia del rayo láser.

"El dispositivo representa una pequeña vela de luz, pero gran parte de nuestro trabajo fue idear y realizar un esquema para medir con precisión el movimiento inducido por fuerzas ópticas de largo alcance", dice el coautor principal Ramón Gao, estudiante de física aplicada.

Para ello, el equipo construyó lo que se llama un interferómetro de trayectoria común. En general, el movimiento se puede detectar mediante la interferencia de dos rayos láser, donde uno incide en la muestra vibrante y el otro traza una ubicación rígida. Sin embargo, en un interferómetro de trayectoria común, debido a que los dos haces han recorrido casi el mismo camino, han encontrado las mismas fuentes de ruido ambiental, como equipos que funcionan cerca o incluso personas hablando, y esas señales se eliminan. Lo único que queda es la pequeña señal del movimiento de la muestra.

Los ingenieros integraron el interferómetro en el microscopio que utilizaron para estudiar la vela en miniatura y alojaron el dispositivo dentro de una cámara de vacío hecha a medida. Luego pudieron medir movimientos de la vela tan pequeños como picómetros (billonésimas de metro), así como su rigidez mecánica, es decir, cuánto se deformaban los resortes cuando la vela era empujada por la presión de la radiación del láser.

Como los investigadores saben que una vela de luz en el espacio no siempre permanecería perpendicular a una fuente láser en la Tierra, inclinaron el rayo láser para imitar esto y midieron nuevamente la fuerza con la que el láser empujaba la mini vela.

Es importante destacar que los investigadores tuvieron en cuenta el hecho de que el rayo láser se propaga en un ángulo y, por lo tanto, no alcanza la muestra en algunas áreas, calibrando sus resultados con la potencia del láser medida por el propio dispositivo. Sin embargo, la fuerza en esas circunstancias fue menor de la esperada. En el artículo, los investigadores plantean la hipótesis de que parte del haz, cuando se dirige en un ángulo, golpea el borde de la vela, lo que provoca que una parte de la luz se disperse y se envíe en otras direcciones.

De cara al futuro, el equipo espera utilizar la nanociencia y los metamateriales (materiales diseñados cuidadosamente a una escala diminuta para tener propiedades deseables) para ayudar a controlar el movimiento de lado a lado y la rotación de una vela de luz en miniatura.