Los astrónomos han estado esperando décadas para el lanzamiento del Telescopio Espacial James Webb, que promete mirar más lejos en el espacio que nunca. Pero si los humanos quieren llegar a nuestro vecino estelar más cercano, tendrán que esperar un poco más:una sonda enviada a Alpha Centauri con un cohete necesitaría aproximadamente 80.000 años para hacer el viaje.

Igor Bargatin, Profesor Asociado del Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecánica Aplicada, está tratando de resolver este problema futurista con ideas extraídas de una de las tecnologías de transporte más antiguas de la humanidad:la vela.

Como parte de la iniciativa Breakthrough Starshot, él y sus colegas están diseñando el tamaño, la forma y los materiales para una vela impulsada no por el viento, sino por la luz.

Utilizando materiales nanoscópicamente delgados y una matriz de potentes láseres, una vela de este tipo podría transportar una sonda del tamaño de un microchip a una quinta parte de la velocidad de la luz, lo suficientemente rápido como para hacer el viaje a Alpha Centauri en aproximadamente 20 años, en lugar de milenios.

"Alcanzar otra estrella dentro de nuestras vidas requerirá una velocidad relativista, o algo cercano a la velocidad de la luz", dice Bargatin. "La idea de una vela ligera ha existido durante algún tiempo, pero ahora estamos descubriendo cómo asegurarnos de que esos diseños sobrevivan al viaje".

Gran parte de la investigación anterior en el campo suponía que el sol proporcionaría pasivamente toda la energía que las velas ligeras necesitarían para moverse. Sin embargo, el plan de Starshot para llevar sus velas a velocidades relativistas requiere una fuente de energía mucho más enfocada. Una vez que la vela esté en órbita, un conjunto masivo de láseres terrestres enfocarían sus rayos sobre ella, proporcionando una intensidad de luz millones de veces mayor que la del sol.

Dado que el objetivo de los láseres sería una estructura de tres metros de ancho mil veces más delgada que una hoja de papel, descubrir cómo evitar que la vela se rompa o se derrita es un gran desafío de diseño.

Bargatin, Deep Jariwala, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y de Sistemas, y Aaswath Raman, Profesor Asistente en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Escuela de Ingeniería Samueli de la UCLA, han publicado un par de artículos en la revista Nano letras que describen algunas de esas especificaciones fundamentales.

Un artículo, dirigido por Bargatin, demuestra que las velas ligeras de Starshot, que se propone que se construyan con láminas ultrafinas de óxido de aluminio y disulfuro de molibdeno, deberán ondear como un paracaídas en lugar de permanecer planas, como suponía gran parte de la investigación anterior.

"La intuición aquí es que una vela muy tensa, ya sea en un velero o en el espacio, es mucho más propensa a desgarrarse", dice Bargatin. "Es un concepto relativamente fácil de comprender, pero necesitábamos hacer cálculos matemáticos muy complejos para mostrar realmente cómo se comportarían estos materiales a esta escala".

En lugar de una sábana plana, Bargatin y sus colegas sugieren que una estructura curva, aproximadamente tan profunda como ancha, sería más capaz de resistir la tensión de la hiperaceleración de la vela, un tirón miles de veces mayor que la gravedad de la Tierra.

"Los fotones láser llenarán la vela como el aire infla una pelota de playa", dice Matthew Campbell, investigador postdoctoral en el grupo de Bargatin y autor principal del primer artículo. "Y sabemos que los contenedores presurizados livianos deben ser esféricos o cilíndricos para evitar rasgaduras y grietas. Piense en los tanques de propano o incluso en los tanques de combustible de los cohetes".

El otro artículo, dirigido por Raman, brinda información sobre cómo los patrones a nanoescala dentro de la vela podrían disipar de manera más eficiente el calor que viene junto con un rayo láser un millón de veces más poderoso que el sol.

"Si las velas absorben incluso una pequeña fracción de la luz láser incidente, se calentarán a temperaturas muy altas", explicó Raman. "To make sure they don't just disintegrate, we need to maximize their ability to radiate their heat away, which is the only mode of heat transfer available in space."

Earlier light-sail research showed that using a photonic crystal design, essentially studding the sail's "fabric" with regularly spaced holes, would maximize the structure's thermal radiation. The researchers' new paper adds another layer of periodicity:swatches of sail fabric lashed together in a grid.

With the spacing of the holes matching the wavelength of light and the spacing of the swatches matching the wavelength of thermal emission, the sail could withstand an even more powerful initial push, reducing the amount of time the lasers would need to stay on their target.

"A few years ago, even thinking or doing theoretical work on this type of concept was considered far-fetched," Jariwala says. "Now, we not only have a design, but the design is grounded in real materials available in our labs. Our plan for the future would be to make such structures at small scales and test them with high-power lasers."

Pawan Kumar, a postdoctoral researcher in Jariwala's lab, as well as John Brewer and Sachin Kulkarni, members of Raman's lab at UCLA Samueli, contributed to this research. + Explora más

Issues still to be addressed for Breakthrough Starshot project