Los nuevos sistemas de propulsión de energía dirigida pueden permitir las primeras misiones interestelares, con pequeño, naves espaciales robóticas que exploran los sistemas solares vecinos, según el cosmólogo experimental Philip Lubin. Presentará estos y otros avances en el Congreso de Láser de The Optical Society (OSA), Serie de altavoces Light the Future, 4-8 de noviembre en Boston.

Imagínese una nave espacial delgada como una oblea impulsada por luz láser capaz de velocidades superiores a un cuarto de la velocidad de la luz, lo suficientemente rápida como para alcanzar la estrella vecina más cercana a nuestro sistema solar en 20 años. o algo más cercano a casa, como llevar gente a Marte en un mes. Aprovechando la propulsión impulsada por fotónica, los investigadores están en camino de hacer realidad este logro de ciencia ficción aparentemente imposible, dijo Lubin, quien es profesor de física en la Universidad de California, Santa Bárbara.

Los resultados de la investigación que describirá Lubin provienen de los programas Starlight y Breakthrough Starshot de la NASA, ambos apoyan la investigación avanzada en fotónica. Lubin es director del programa Starlight.

"Fotónica, la producción y manipulación de la luz, ya es parte de nuestra vida cotidiana, desde teléfonos celulares hasta computadoras, bombillas de diodos emisores de luz (LED) y fibra óptica que transportan sus datos por todas partes, aunque es posible que no los vea, ", dijo Lubin." Puede señalar ejemplos prácticos de fotónica en la vida cotidiana y parece no tener nada que ver con el vuelo interestelar, pero de hecho lo hace porque es sinérgico con la tecnología que necesita para lograr un vuelo interestelar ".

Uno de los mayores desafíos para validar este concepto de fotónica en lo que respecta a la propulsión es la demostración de la potencia del láser necesaria para acelerar la nave espacial propuesta / hipotética. según Lubin.

Óptica sintetizada para sistemas de propulsión de energía dirigida

Los grandes sistemas de energía dirigida no se construyen con un solo láser gigantesco, sino que confía en la combinación de haces, lo que implica el uso de muchos amplificadores láser de potencia muy modestos.

"Nuestro sistema aprovecha una tipología establecida llamada diseño 'Amplificador de potencia del oscilador maestro', ", dijo Lubin." Es un sistema distribuido, por lo que cada "bloque de construcción" del amplificador láser tiene entre 10 y 1000 vatios. Puedes sostenerlo en tu mano. En lugar de construir un láser gigantesco, combinas muchos pequeños amplificadores láser que, cuando se combina, forman un sistema extremadamente poderoso y revolucionario ".

Lubin sugiere una analogía con las supercomputadoras, que se construyen utilizando una gran cantidad de unidades centrales de procesamiento (CPU). "Al combinar de manera coherente miles de millones de amplificadores de potencia láser de baja posición, similar a la misma potencia de un LED doméstico moderno típico, de repente tiene este sistema de energía dirigida increíblemente capaz, " él dijo.

Sondas interestelares alimentadas mediante luz láser

Los sistemas de energía dirigida pueden permitir sondas interestelares como parte de la exploración humana en un futuro no muy lejano. y están en el corazón del programa Starlight de la NASA y la Iniciativa Breakthrough Starshot para permitir las primeras misiones interestelares de la humanidad. La misma tecnología central tiene muchas otras aplicaciones, como viajes interplanetarios rápidos para misiones de gran masa, incluidos los que llevan personas; defensa planetaria; y la búsqueda de inteligencia extraterrestre (SETI).

"Nuestro enfoque principal actualmente está en naves espaciales robóticas muy pequeñas. No llevarán humanos a bordo; no es el objetivo de la parte interestelar de nuestro programa". ", dijo Lubin." Si la humanidad quiere explorar otros mundos fuera de nuestro sistema solar, No hay otras opciones de propulsión que se puedan obtener físicamente para hacer esto, con dos excepciones.

"Una forma sería si pudiéramos dominar un enfoque tecnológico conocido como motores de aniquilación de antimateria, los cuales son sistemas de propulsión teóricos que generan empujes basados ​​en la energía liberada por interacciones a nivel de partículas subatómicas. Pero actualmente no tenemos una forma de hacerlo, "Lubin dijo, "e implica una serie de complejidades que no tenemos un camino actual para resolver.

"La otra opción es la energía dirigida o la propulsión fotónica, en el que nos centramos porque parece factible, "Dijo Lubin. En una variante, La propulsión de energía dirigida es similar a usar la fuerza del agua de una manguera de jardín para empujar una pelota hacia adelante. Minúsculas naves espaciales interestelares (típicamente de menos de un kilogramo y algunas que son naves espaciales en una oblea) pueden ser impulsadas y dirigidas a través de luz láser. él dijo.

"La miniaturización de naves espaciales no es necesaria para todos los escenarios de misión que estamos considerando, pero cuanto menor sea la masa de la nave, más rápido podrás ir, ", Dijo Lubin." Este sistema se escala de diferentes maneras que la propulsión de eyección de masa ordinaria ".

Hasta aquí, todos los cohetes que han despegado de la Tierra se basan en sistemas de propulsión química cuyos diseños básicos se remontan a la Segunda Guerra Mundial. Apenas son capaces de salir de la superficie de la Tierra y ponerse en órbita. Hacer un cohete más grande no lo hace ir más rápido simplemente permite que el cohete transporte más masa. La propulsión fotónica funciona de manera diferente, porque cuanto menos densa es la carga útil, más rápido vas. Entonces quieres bajar la masa para ir más rápido.

Como conducir en una tormenta de lluvia, en el espacio

Un desafío importante para las naves espaciales relativistas es el endurecimiento por radiación, porque "cuando comenzamos a alcanzar velocidades cercanas a la velocidad de la luz, las partículas en el espacio interestelar, protones en particular, en las que aras, ignora los granos de polvo por el momento, son la principal fuente de radiación, "dijo Lubin." El espacio no está vacío; tiene aproximadamente un protón y un electrón por centímetro cúbico, así como un puñado de helio y otros átomos ".

Chocar contra esas partículas puede ser significativo a altas velocidades porque, si bien pueden viajar lentamente dentro de su propio marco de referencia, para una nave espacial de rápido movimiento, hacen impactos de alta velocidad.

"Cuando los golpeas es como conducir bajo una tormenta. Incluso si la lluvia cae directamente del cielo, tu parabrisas se enyesa porque vas rápido, y es un efecto bastante serio para nosotros. ", Dijo Lubin." Recibimos enormes cargas de radiación en el borde de ataque a medida que el frente se golpea absolutamente, mientras que el resto de la nave espacial que no está en el borde delantero y que mira en diferentes direcciones no recibe mucho impacto. Es un problema interesante y único, y estamos trabajando en lo que sucede cuando los atraviesas ".

En términos de un marco de tiempo para poner en funcionamiento la tecnología de propulsión de energía dirigida, "Estamos produciendo demostraciones de laboratorio de cada parte del sistema, ", dijo Lubin." La capacidad total está a más de 20 años de distancia, aunque las misiones de demostración son factibles dentro de una década ".

Llegar a Marte rápidamente

La misma tecnología fotónica central en el programa Starlight de la NASA también permite misiones interplanetarias extremadamente rápidas, incluidas las misiones a Marte que podrían transportar personas en viajes de tan solo un mes. Esto reduciría drásticamente los peligros para los humanos en el largo viaje al planeta rojo y actualmente se está estudiando como una opción.

Trillion Planet Survey

Los avances en fotónica también significan que ahora podemos dejar una luz encendida para la inteligencia extraterrestre dentro del universo si queremos que nos encuentren, en caso de que haya otra vida inteligente que también quiera saber la respuesta a la pregunta, "estamos solos"?

Los estudiantes de Lubin exploran este concepto en su experimento "Trillion Planet Survey". Este experimento ahora está buscando activamente en la cercana galaxia Andrómeda, que tiene alrededor de un billón de planetas, y otras galaxias además de la nuestra para señales de luz.

Combinando la investigación de Lubin con el experimento de sus estudiantes, hay oportunidades para señalar la vida. Cuando los avances tecnológicos permiten la demostración de láseres lo suficientemente potentes para propulsar la pequeña nave espacial, Estos láseres también podrían usarse para hacer brillar una baliza hacia la Galaxia de Andrómeda con la esperanza de que cualquier forma de vida allí pueda descubrir y detectar esa fuente de luz en su cielo.

El caso inverso es más interesante. Quizás exista otra civilización con una capacidad similar a la que ahora estamos desarrollando en fotónica. Pueden darse cuenta, como hacemos nosotros, que la fotónica es un medio extremadamente eficiente de ser detectado a grandes distancias fuera de nuestra galaxia. Si hay una civilización extraterrestre que está transmitiendo su presencia a través de rayos ópticos, como los propuestos para la propulsión fotónica, son candidatos para ser detectados por un estudio óptico a gran escala, como el Trillion Planet Survey del equipo de Lubin.

"Si la longitud de onda de transmisión de un rayo extraterrestre es detectable, y ha estado encendido lo suficiente, deberíamos poder detectar la señal de una fuente en cualquier lugar dentro de nuestra galaxia o de galaxias cercanas con telescopios relativamente pequeños en la Tierra, incluso si ninguna de las 'partes' sabe que la otra existe y no sabe 'a dónde apuntar, ", Dijo Lubin. Este escenario" ciego y ciego "es clave para la" Búsqueda de Inteligencia Dirigida ", como Lubin llama a esta estrategia.

Defensa planetaria

Quizás uno de los usos más intrigantes de la fotónica, más cerca de casa, es aprovecharla para ayudar a defender la Tierra de amenazas externas como los impactos de asteroides y cometas.

El mismo sistema que los investigadores están comenzando a desarrollar para la propulsión se puede utilizar para la defensa planetaria al enfocar el rayo sobre el asteroide o cometa. Esto provoca daños en la superficie, y como partes de la superficie son expulsadas durante la reacción con la luz láser, el impulso empujaría los escombros en una dirección y el asteroide o cometa en la dirección opuesta. Por lo tanto, poco a poco, desviará la amenaza, Dijo Lubin.

"Las implicaciones a largo plazo para la humanidad son bastante importantes, ", agregó." Si bien la mayoría de las amenazas de asteroides no son amenazas existenciales, pueden ser bastante peligrosos como vimos en Chelyabinsk, Rusia en 2013 y en Tunguska, Rusia en 1908. Lamentablemente, los dinosaurios carecían de fotónica para evitar su desaparición. Quizás seamos más sabios ".