Un nuevo estudio encuentra que las naves espaciales podrían volar a estrellas distantes utilizando velas con superficies similares a las de los CD y DVD para ayudarlos a mantenerse centrados en los rayos láser.
Los cohetes convencionales impulsados por reacciones químicas son actualmente la forma dominante de propulsión espacial. Sin embargo, no son lo suficientemente eficientes como para alcanzar otra estrella dentro de la vida humana. Por ejemplo, aunque Alpha Centauri es el sistema estelar más cercano a la Tierra, todavía se encuentra a unos 4,37 años luz de distancia, lo que equivale a más de 25,6 billones de millas (41,2 billones de kilómetros), o más de 276,000 veces la distancia de la Tierra al sol. Tomaría la NASA Nave espacial Voyager 1, que se lanzó en 1977 y alcanzó el espacio interestelar en 2012, unos 75,000 años para llegar a Alpha Centauri si la sonda se dirigía en la dirección correcta (que no es así).
El problema con todos los propulsores que las naves espaciales actuales usan para propulsión es que el propulsor que llevan con ellos tiene masa. Los viajes largos requieren mucho propulsor, lo que hace que las naves espaciales sean pesadas, lo que, a su vez, requiere más propulsores, haciéndolos más pesados, y así sucesivamente. Ese problema empeora exponencialmente cuanto más grande se vuelve una nave espacial.
Investigaciones anteriores han sugerido que la "navegación ligera" podría ser una de las únicas formas técnicamente factibles de llevar una sonda a otra estrella dentro de la vida humana. Aunque la luz no ejerce mucha presión, los científicos han sugerido durante mucho tiempo que lo poco que aplique podría tener un efecto importante. De hecho, numerosos experimentos han demostrado que las "velas solares" pueden depender de la luz solar para la propulsión, dado un espejo lo suficientemente grande y una nave espacial lo suficientemente liviana.
La iniciativa Breakthrough Starshot de $ 100 millones, que se anunció en 2016, planea lanzar enjambres de naves espaciales del tamaño de un microchip a Alpha Centauri, cada uno de ellos con velas extraordinariamente delgadas e increíblemente reflectantes impulsadas por los láseres más potentes jamás construidos. El plan los tiene volando a hasta un 20% de la velocidad de la luz, llegando a Alpha Centauri en unos 20 años.
Una preocupación con el uso de velas láser es que si se desvían de la alineación con los rayos láser propulsores, que se basarán aquí en la Tierra, al menos inicialmente, en El innovador plan de Starshot - pueden desviarse salvajemente de sus objetivos. Ahora los científicos han diseñado y probado una nueva vela que, en principio, podría mantenerse centrada automáticamente en un rayo láser durante los pocos minutos requeridos, permitiendo que una nave espacial se mantenga en curso para viajes interplanetarios o incluso interestelares.
La nueva vela se basa en estructuras conocidas como rejillas de difracción, cuyas versiones más familiares se ven en CD y DVD. UNA rejilla de difracción es una superficie cubierta con una serie de crestas o hendiduras microscópicas regularmente espaciadas que pueden dispersar o difractar la luz, haciendo que diferentes longitudes de onda o colores de luz viajen en diferentes direcciones.
Una grabación en un CD o DVD se codifica en forma de fosas microscópicas de diferentes longitudes que se colocan en filas del mismo ancho y distancias iguales, y los rayos láser pueden escanear estos discos para leer sus datos. Estas filas forman una rejilla de difracción en las superficies espejo de los CD y DVD que pueden dividir la luz blanca en los muchos colores que la componen, lo que da como resultado los patrones de arco iris que se pueden ver en estos discos.
"Si alguna vez has examinado el hermoso juego de luz de un disco compacto, habrás visto los efectos de la difracción", dijo a Space.com el autor principal del estudio, Grover Swartzlander, físico óptico del Instituto de Tecnología de Rochester en Nueva York. .
Los investigadores construyeron una vela que consta de dos rejillas difractivas colocadas una al lado de la otra. Cada rejilla estaba hecha de cristales líquidos alineados que estaban contenidos en una lámina de plástico. Cristales líquidos similares se utilizan a menudo en las pantallas electrónicas de pantallas de video y relojes digitales.
Los diseños anteriores de velas ligeras actúan como espejos que reflejan haces de luz en sus fuentes. En el nuevo diseño, los cristales líquidos en cada rejilla de difracción desvían los rayos de luz en ángulo, generando fuerzas 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 el centro de la vela.
En las pruebas de su vela experimental, los científicos tuvieron que detectar las fuerzas microscópicas que generaba la vela en respuesta a un láser al tiempo que distinguían esas fuerzas de las perturbaciones como las vibraciones del edificio o las corrientes de aire.
"Nos sentimos frustrados al descubrir que nuestras mediciones no eran confiables si el piso se hundía por el peso de una persona pequeña", dijo Swartzlander. "Eventualmente, encontramos lugares adecuados y métodos para evitar disturbios".
Los investigadores detectaron con éxito la vela generando fuerzas de re-centrado que la empujaron a alinearse con un rayo láser.
"Fue muy satisfactorio encontrar que los resultados experimentales coincidían con nuestras predicciones teóricas", dijo Swartzlander. "Este acuerdo sugiere que podemos diseñar con confianza estructuras difractivas más complejas para velas ligeras impulsadas por la luz solar o un rayo láser".
Los investigadores ahora están experimentando con velas capaces de centrarse si se desplazan en cualquier dirección, no solo hacia la izquierda o hacia la derecha. "Curiosamente, estos pueden tener propiedades ópticas muy similares a la naturaleza difractiva de los discos compactos", dijo Swartzlander.
En el futuro, sugirieron los investigadores, sus velas podrían probarse en la Estación Espacial Internacional o en un pequeño satélite alrededor de la Tierra. Detallaron sus hallazgos en línea el 13 de diciembre en la revista Physical Review Letters.
- Galería: Visions of Interstellar Starship Travel
- Tecnología increíble: viajes espaciales y exploración
- 10 exoplanetas que podrían albergar vida alienígena
