Investigadores de la Universidad Texas A&M han demostrado la propulsión óptica utilizando un «metajet» impulsado por láser con control tridimensional total.
Sus resultados a escala de laboratorio sugieren que un sistema de propulsión impulsado por luz podría reducir el tiempo de viaje a Alpha Centauri, el sistema estelar más cercano al nuestro, a unos 20 años.
Con la tecnología de propulsión espacial actual, este viaje tardaría cientos de miles de años en completarse, lo que pone de relieve el inmenso potencial de la propulsión óptica para guiar los esfuerzos futuros hasta la frontera final.
¿Qué es la propulsión óptica y por qué llama la atención?
La propulsión óptica utiliza luz, generalmente de un láser, para generar fuerza sobre un objeto sin contacto físico ni combustible a bordo. Aunque la física se conoce desde hace décadas, el control práctico sigue siendo una barrera.
La última investigación, dirigida por el Dr. Shoufeng Lan, profesor asistente y director del Laboratorio de Nanofotónica Avanzada, proporciona una demostración controlada de cómo la luz por sí sola puede dirigir el movimiento en múltiples dimensiones.
El estudio, publicado en Newton, describe un método para convertir el impulso de un fotón en una fuerza mecánica mensurable.
La razón es bastante clara: se necesitarían cientos de miles de años para llegar a Alfa Centauri utilizando propulsión de cohetes convencional. Por el contrario, la propulsión óptica elimina la necesidad de combustible y, en cambio, depende de energía externa sostenida, lo que potencialmente permite viajes mucho más cortos cuando se amplía.
¿Cómo funciona MetaJet?
El sistema gira en torno a dispositivos a escala micrométrica llamados metajets, que se construyen a partir de metasuperficies: materiales ultrafinos diseñados con patrones a nanoescala que determinan cómo se comporta la luz cuando incide sobre ellos.
Varias características definen su comportamiento.
Transferencia de impulso: cuando la luz se refleja en una superficie, imparte impulso. Las estructuras de metasuperficie son canales que transmiten fuerzas en direcciones específicas. Control integrado en el material: en lugar de ajustar el rayo láser, el control está integrado en el propio dispositivo a través de su geometría. Maniobrabilidad tridimensional: MetaJet puede moverse lateralmente, verticalmente y girar bajo irradiación láser. Fabricación de precisión: cada característica a nanoescala está diseñada en forma, orientación y ubicación para un comportamiento predecible.
Lan describe el efecto como similar a una pelota de ping pong que rebota en una superficie. Cada fotón proporciona un pequeño impulso, pero colectivamente generan una fuerza controlada.
El dispositivo fue fabricado en las instalaciones de nanofabricación de AggieFab, con el apoyo de la Estación Experimental de Ingeniería de Texas A&M, y probado en un entorno fluido para compensar la gravedad y proporcionar una visión más clara del movimiento.
¿En qué se diferencia esto de investigaciones anteriores sobre propulsión óptica?
Los experimentos anteriores de propulsión óptica solían tener un control limitado, a menudo restringido al movimiento en una sola dirección o confiando en campos de luz cuidadosamente formados. El enfoque de Texas A&M cambia ese paradigma al generar control dentro del propio material.
Esta distinción tiene implicaciones prácticas. Al desacoplar el control de la fuente de luz, este sistema permite una generación de fuerza más flexible y simplifica los requisitos para un sistema láser externo.
También introducimos un marco generalizable basado en la física fundamental en lugar de entornos experimentales estrechos.
Se están llevando a cabo investigaciones similares en instituciones como el Instituto de Tecnología de California, que investiga la estabilidad de la propulsión, y el Instituto de Tecnología de Rochester, que investiga plataformas de rejillas de difracción.
El equipo de Lan posiciona su contribución como un paso hacia la integración de estos esfuerzos bajo un modelo teórico y experimental más amplio.
Es importante destacar que, dicen los investigadores, esta es la primera demostración reportada de maniobrabilidad tridimensional completa utilizando esta clase de sistema óptico.
¿Se puede extender la propulsión ligera a las naves espaciales?
El tamaño actual de Metajet es de sólo unas pocas decenas de micrones, más pequeño que el ancho de un cabello humano. Esto sitúa el trabajo firmemente en el ámbito experimental. Sin embargo, la física subyacente sugiere escalabilidad.
La fuerza generada depende principalmente de la potencia de la luz incidente y no del tamaño del objeto. En principio, aumentar la intensidad del láser podría extender el mismo esquema a sistemas más grandes, incluidas las naves espaciales.
Este concepto sustenta propuestas de larga data para velas propulsadas por láser y sondas interestelares.
Aún quedan importantes desafíos de ingeniería, entre ellos:
Entrega energía láser sostenida de alta potencia a largas distancias. Mantiene la precisión y estabilidad del haz en todo el espacio. Maneja el calor y la tensión del material bajo iluminación continua. Verifica el rendimiento en condiciones de microgravedad.
El equipo de investigación ahora está buscando financiación externa para probar el sistema en microgravedad, donde la interferencia gravitacional se minimiza y el funcionamiento refleja con mayor precisión las condiciones espaciales.
Por ahora, el descubrimiento representa un avance en un laboratorio controlado más que en un sistema de propulsión desplegable.
Aún así, contribuyen a un creciente conjunto de investigaciones que sugieren que la luz, en lugar del combustible, puede eventualmente impulsar viajes a largas distancias, desde instrumentos microscópicos hasta misiones interestelares.
Source link
