Un día en un futuro no muy lejano Las velas ligeras pueden lanzarse a través del espacio a velocidades de alrededor del 20% de la velocidad de la luz (o 60, 000 km / seg), propulsado no por el combustible sino por la presión de radiación de los láseres de alta potencia en la Tierra. Viajando a estas velocidades relativistas, velas de luz impulsadas por láser podrían llegar a nuestra estrella vecina más cercana (que no sea el Sol), Alfa Centauri, o el planeta potencialmente habitable conocido más cercano, Proxima Centauri b, en unos 20 años. Ambos objetos están a poco más de cuatro años luz de distancia.

Diseñar velas ligeras es un gran desafío de ingeniería, sin embargo, que requieren características contradictorias que parecen casi imposibles:una vela ligera ideal debe tener varios metros de ancho y ser lo suficientemente robusta mecánicamente para soportar una intensa presión de radiación, sin embargo, debe tener un grosor aproximado de 100 nanómetros y pesar unos pocos gramos.

Otros requisitos surgen del mecanismo por el cual funcionan las velas ligeras. Según las ecuaciones de Maxwell, la luz tiene impulso y, como resultado, puede ejercer presión sobre los objetos. Sin embargo, las velas ligeras no son simplemente empujadas por la presión de la radiación como un velero es empujado por el viento. En lugar de, el empuje resulta de la vela ligera que refleja la radiación. Como resultado, una vela óptima debería reflejar la mayor parte de la radiación en el espectro del infrarrojo cercano del rayo láser, mientras que simultáneamente emite radiación en el rango del infrarrojo medio para un enfriamiento radiativo eficiente.

Velas nanofotónicas

En un nuevo estudio publicado en Nano letras , investigadores Ognjen Ilic, Cora fue y Harry Atwater en el Instituto de Tecnología de California, Pasadena, han demostrado que las estructuras nanofotónicas pueden tener el potencial de cumplir con los estrictos requisitos de material para velas ligeras capaces de viajar a velocidades relativistas.

Los diseños de velas ligeras anteriores han utilizado materiales como el aluminio ultrafino, varios polímeros, y fibra de carbono. A diferencia de estos materiales, Las estructuras nanofotónicas tienen la capacidad de manipular la luz a escalas de sublongitud de onda, dándoles una ventaja para abordar los requisitos simultáneos de propulsión eficiente (reflexión) y gestión térmica (emisión). Como ejemplo, los investigadores demostraron que una pila de dos capas de silicio y sílice parece prometedora debido a las propiedades combinadas de ambos materiales. Mientras que el silicio tiene un índice de refracción alto, que corresponde a una propulsión eficiente, pero una capacidad de enfriamiento deficiente, la sílice tiene buenas propiedades de enfriamiento radiativo pero un índice de refracción más pequeño.

En su papel los investigadores también propusieron una nueva cifra de mérito que mide el equilibrio entre lograr una masa de vela baja y una reflectividad alta. En el futuro, este concepto ayudará a minimizar las limitaciones en la potencia del láser y el tamaño de la matriz de láser.

Antecedentes sobre velas ligeras

Aunque conceptualizado durante casi un siglo, Solo en las últimas décadas la tecnología se ha puesto al día con las primeras visiones de los científicos de impulsar una nave espacial con la presión de la luz. Inspirado por la forma en que la radiación del Sol empuja la cola de un cometa en la dirección opuesta, los primeros conceptos fueron de velas solares que utilizan la presión de radiación de la luz solar en lugar de láseres.

La primera vela solar fue lanzada en 2010 por la Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón (JAXA) y alcanzó con éxito la órbita de Venus en seis meses. alimentado solo por la presión de radiación de la luz solar. Ahora los investigadores están trabajando en el diseño de velas solares capaces de mayores aceleraciones que sean competitivas con la aceleración de cohetes. ofreciendo la posibilidad de lanzar naves espaciales sin el costo de mil millones de dólares de los propulsores convencionales.

Aunque las velas solares pueden alcanzar velocidades similares a las de un cohete, La radiación solar es relativamente débil en comparación con una matriz de láser de alta potencia. Como resultado, una matriz de láser ofrece el potencial de una propulsión mucho más rápida, hasta velocidades relativistas, pero se necesita más trabajo antes de que se demuestren tales velas impulsadas por láser.

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