Medir el rendimiento de la vela ligera en el laboratorio

La navegación ha sido un pilar de la historia humana durante milenios, por lo que no sorprende que los científicos lo apliquen a viajar en el espacio. La navegación solar, la versión más común, utiliza la presión del sol para empujar la nave espacial con velas gigantes hacia afuera en el sistema solar. Sin embargo, hay una versión más avanzada tecnológicamente que varios grupos piensan que podrían ofrecernos la mejor oportunidad para llegar a Alpha Centauri: la navegación iluminada.

En lugar de confiar en la luz del sol, esta técnica utiliza un láser para empujar una nave espacial extraordinariamente ligera hasta velocidades nunca antes logradas por todo lo que los humanos han construido. Uno de esos proyectos está respaldado por la iniciativa de StarShot de Breakthrough, inicialmente fundada por Yuri Milner y Stephen Hawking. Un nuevo artículo de investigadores de Caltech publicado en Fotónica de la naturaleza Explora cómo probar ¿Qué fuerza tendría un láser en una vela ligera? mientras viaja a otra estrella.

El concepto general de empujar algo con la luz parece bastante simple, pero el diablo está en los detalles en términos de cómo funcionará en el espacio. El láser y la nave espacial tienen que sincronizar más de millones de millas. Si tanto como mueva ligeramente el ángulo en el que están configurados, tal vez porque un micrometeoroide los golpea, entonces la misión falla porque la nave termina en una parte diferente de la galaxia o el láser no proporciona suficiente potencia para obtenerla allí en una cantidad razonable de tiempo.

Las pruebas son la forma de garantizar que tal desastre no ocurra, pero incluso comprender cómo la física de una vela ligera funcionará a distancias tan grandes es difícil. Entonces, los investigadores de Caltech, dirigidos por Postdoc Lior Michaeli y Ph.D. El estudiante Ramon Gao, construyó una configuración para probar esa física.

Las imágenes proporcionadas como parte de un comunicado de prensa para acompañar su papel en la naturaleza fotónica muestran una pequeña muestra cuadrada de vela ligera conectada a una membrana cuadrada más grande y ahuecada por un conjunto de cuatro resortes unidos a cada esquina de la muestra. Lo que las imágenes no hacen un buen trabajo capturando es cuán pequeña es la muestra —40 micras por 40 micros no es mucho en comparación con los 10 m² para el diseño final de la vela de luz.

Pero es un comienzo y el plataforma de prueba introdujo algunos interesantes desafíos de ingeniería. El cuadrado tiene solo 50 nm de espesor y está hecho de nitruro de silicio. Los resortes están hechos del mismo material, y la configuración general «parece un trampolín microscópico», según el comunicado de prensa.

Cuando la muestra se sometió a un láser de argón, vibró. Los investigadores sabían que esta vibración fue causada principalmente por el calor del láser, y necesitaban diferenciar la vibración causada por el calentamiento de la fuerza aplicada por la luz misma. Para hacerlo, recurrieron a un instrumento comúnmente utilizado en la exploración espacial, un interferómetro.

En este caso, era un tipo conocido como interferómetro de ruta común. En esta configuración, los dos vigas láser del interferómetro viajan esencialmente el mismo camino y, por lo tanto, encuentran las mismas condiciones ambientales. Cuando un láser golpea un objeto en movimiento, y uno golpea a uno estacionario, la diferencia en el movimiento se puede restar para descubrir la señal que el experimentador está buscando, en este caso, la presión de radiación del láser en sí.

Un paso más fue integrar el interferómetro con un microscopio y un cámara de vacíolo que eventualmente permitió mediciones hasta el nivel de un picómetro en términos del desplazamiento de la muestra. También recopilaron información sobre las propiedades mecánicas de los resortes de nitruro de silicio utilizados para mantener la muestra en su lugar.

Una vez que se confirmó la configuración de la prueba, el siguiente paso fue mover el ángulo, como potencialmente lo harían en un escenario del mundo real. En este caso, solo inclinaron el haz láser, pero aún notaron una pérdida significativa de potencia de empuje. Teorizaron que la luz golpeando el borde de la vela difractó, causando una pérdida de esa potencia que de otro modo se usaría para empujar la vela.

Esta configuración de prueba permitirá a los investigadores probar cómo evitar tal destino para la misión de vela ligera a largo plazo. Ya tienen algunas ideas sobre la integración de nanomateriales y fuerzas de autocorrección que permitirían que la luz de la luz regrese automáticamente a su camino óptimo. Pero cualquier avance de este tipo está muy lejos. A pesar del largo viaje por delante, desarrollar esta cama de prueba es un paso (o tal vez un láser Push) en la dirección correcta.