Las naves espaciales químicas tradicionales, aunque son el método de propulsión más utilizado para la exploración espacial en la actualidad, están sujetas a la tiranía de la ecuación del cohete. Cada gramo de empuje que utilizan debe provenir inicialmente de combustible, lo que significa que la propia nave espacial tendrá que pesar más, y el peso es uno de los factores limitantes de la velocidad que puede alcanzar un sistema de propulsión. Por ello, los científicos han estado buscando y probando activamente alternativas durante décadas. Una de las más prometedoras es la vela solar, una enorme lámina reflectante que utiliza la luz solar, o en algunos casos un “láser de empuje”, para maniobrar alrededor del sistema solar sin necesidad de propulsor a bordo. Un reciente artículo publicado en el Journal of Nanophotonics por Dimitar Dimitrov y Elijah Taylor Harris de la Universidad de Tuskegee describe un nuevo tipo de vela ligera que resuelve algunos de los principales problemas de los diseños existentes.
Como ocurre con muchas otras cosas en la exploración espacial, el problema de las velas ligeras radica en el calor. Normalmente, están hechas de películas de polímeros flexibles, como Mylar o Kapton, que son excelentes en cuanto a la relación tamaño-peso. Pero absorben el 47% de la radiación solar incidente, que luego debe convertirse en calor. Con la intensa radiación solar cerca del Sol, ese nivel de calor puede degradar o destruir por completo la vela. Además, es inviable golpear una vela con un láser de empuje de nivel de giga-vatio, y simplemente se haría añicos.
Las soluciones actuales consisten esencialmente en añadir más material para permitir una mejor gestión térmica. Pero esto cae en la misma trampa que la ecuación del cohete: la vela debe transportar esa masa consigo durante su viaje, lo que reduce drásticamente la eficiencia de su propulsión. Simplemente utilizar materiales estándar disponibles en el mercado no soluciona este problema.
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Así que los investigadores decidieron crear un material aún más novedoso, que llaman Vela de Luz de Cristal Fotónico Multidieléctrico (PCLS). Esta nanoestructura tiene tres componentes repetitivos: pilares de germanio de alto índice de refracción, agujeros de aire de bajo índice de refracción y una matriz de polímero de polimetilmetacrilato (PMMA). Al organizar cuidadosamente estos tres componentes a nanoescala, los investigadores pueden crear una “banda prohibida fotónica” que actúa como un espejo altamente selectivo.
La vela alcanza un 90% de reflectividad a una longitud de onda de luz muy específica: 1,177 micrómetros, para ser precisos. Pero, debido a los huecos de aire, que constituyen la mayor parte de la estructura, la gran mayoría de la luz solar real simplemente atraviesa el material. Esto elimina gran parte del calentamiento innecesario que sufren las velas solares tradicionales y disminuye drásticamente el peso de la vela. Dado que la mayor parte es aire, los autores estiman que un metro cuadrado de este material pesaría solo 7,2 gramos.
Para demostrar su concepto, el equipo realizó la clásica combinación de ciencia de materiales: modeló sus propiedades de rendimiento y luego construyó una muestra. Utilizando técnicas matemáticas como la expansión de ondas planas y las simulaciones de dominio de tiempo finito, el equipo modeló una vela de 1 metro cuadrado impulsada por un láser de 100 kW. Sus cálculos muestran que podría acelerar hasta 300 m/s en una sola hora, no lo suficiente para velocidades interestelares como esperan algunos defensores de las velas solares, pero sí lo suficientemente rápido para viajes interplanetarios.
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Después de su exitosa simulación, construyeron una muestra del material en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge. Dada su precisa nanopatrón, requirió una técnica llamada litografía por haz de electrones, similar al proceso utilizado en la fabricación de semiconductores, para crearla. Su capa fotónica activa de la muestra tenía solo 200 nm de espesor, con pilares de germanio de solo 100 nm de diámetro y agujeros de aire de alrededor de 400 nm de diámetro. No está claro si este preciso nivel de ingeniería es factiblemente escalable, pero ese es un desafío para el futuro.
A día de hoy, no hay ninguna misión planeada para probar este nuevo material en el espacio. Pero podría haber pronto. Las velas solares se han vuelto cada vez más populares, con varias misiones exitosas lanzadas recientemente. A medida que empecemos a adentrarnos en los confines más lejanos de nuestro sistema solar, la navegación podría volver a ponerse de moda, esta vez con cristales nanoingenierizados en lugar de tela.
Más información:
SPIE / EurekaAlert – Toward practical laser-driven light sails using photonic crystals
D. Dimitrov & E. T. Harris – Design and manufacture of a photonic crystal light sail
UT – New Lightsail Material Pushes Interstellar Probe Dream Closer
UT – NASA’s Putting its Solar Sail Through its Paces
