Este nuevo metamaterial tiene un índice de reflectancia lo suficientemente alto para fabricar velas solares impulsadas por rayos láser
Concepto de nave con una vela solar. (Bert Willemsen)
Por
Jesús Díaz
19/12/2023
Un equipo de científicos ha logrado crear un nuevo material potencialmente revolucionario: cristales fotónicos que podrían acelerar naves espaciales a velocidades relativistas, lo suficientemente cercanas a la velocidad de la luz como para llegar a otro sistema estelar en el plazo de una vida humana en lugar de tardar siglos como pasaría con un vehículo de propulsión química tradicional.
El equipo liderado por Jin Chang —un investigador de postdoctorado de la Universidad Tecnológica de Delft, en Holanda— ha diseñado estos cristales fotónicos para la fabricación de velas solares a gran escala.
Su investigación, detallada en un artículo prepublicado en Arxiv recientemente y que está pendiente de revisión por pares, propone un nuevo diseño de vela solar que combina dos capas de materiales dieléctricos diferentes, integradas con una estructura de cristales fotónicos sobre una oblea de cuatro pulgadas.
Reflectividad del 70%
La característica más destacada de este material es su capacidad para reflejar más del 70% de la luz a lo largo de un amplio rango de longitud de onda.
Este nivel de reflectividad es esencial para que la vela solar funcione al máximo de eficiencia a medida que ésta se aleja de la Tierra, ya que la aceleración depende de la presión de la radiación ejercida por los fotones de luz emitidos por una matriz de rayos láser desde una base estática en la Tierra, la cara oculta de la Luna u otras estaciones en el sistema solar.
Visualización de la nave espacial que puede alcanzar un 20% de la velocidad de la luz usando velas solares. (Project Breakthrough Starshot)
Esta reflectividad resuelve el gran problema de las naves solares impulsadas por sistemas de rayos láseres como la iniciativa Breakthrough Starshot. A medida que la nave acelera, la velocidad de la nave y el incremento progresivo de la distancia con el emisor láser cambia la longitud de onda del rayo debido al efecto Doppler.
Este efecto hace que la frecuencia de onda del láser se vaya haciendo más amplia a medida que la nave se aleja, trasladándose hacia el lado infrarrojo. Este fenómeno es un concepto básico en astronomía y se puede observar también en las estrellas a medida que se alejan del sistema solar por la expansión del universo.
Gran eficiencia, peso reducido
La eficiencia en la reflectividad del material se combina con una masa extremadamente baja. El equipo de Chang ha demostrado que, al escalar este diseño a un tamaño de metros, la vela solar tendría un peso de sólo unos pocos gramos. Esto es crucial para la viabilidad de este tipo de propulsión para enviar naves en viajes interestelares porque reduce la cantidad de energía necesaria para alcanzar las altas velocidades necesarias para llegar a su destino en un plazo de tiempo razonable.
El diseño propuesto por Chang supera también uno de los principales desafíos en la fabricación de velas solares: la fabricación de estructuras nanométricas a gran escala. El equipo ha desarrollado un método para fabricar de manera fiable estas estructuras complejas sobre áreas extensas, asegurando una producción eficaz del material. Este logro no solo es significativo para el proyecto de viajes interestelares, sino que también representa un importante avance en la nanofabricación y la ingeniería de materiales.
La gran esperanza de las velas solares
Por el momento, la tecnología de velas solares son la gran esperanza para conseguir un cambio radical en la propulsión espacial. Dejando de lado los motores de iones, los motores nucleares de fisión y fusión y otros métodos de propulsión más exóticos —como los motores de plasma o los teóricos de antimateria— las velas solares han sido probadas con éxito, son extremadamente eficientes y están cada vez más cerca de hacerse realidad.
Además, a diferencia de esos sistemas o motores de propulsión química convencionales que dependen del combustible que pueden llevar en la nave, las velas solares utilizan la presión de la radiación de la luz para moverse. Este método se basa en el principio de que los fotones de luz ejercen una pequeña fuerza al reflejarse en una superficie, aunque no tienen masa. En el espacio, esta fuerza puede ser utilizada para propulsar una nave espacial.
Hawking durante el anuncio de la iniciativa Breakthrough Startshot. (Reuters)
Un salto adelante para la iniciativa Breakthrough Starshot
El avance de los cristales fotónicos es especialmente relevante para la iniciativa Breakthrough Starshot, un ambicioso proyecto Iniciado por un grupo de científicos y filántropos —entre ellos el físico teórico Stephen Hawking y el empresario Yuri Milner— y liderado por el astrofísico de Harvard Avi Loeb que tiene como objetivo enviar sondas espaciales a Próxima Centauri utilizando velas solares.
El objetivo de la iniciativa es enviar una flota de mininaves, equipadas con cámaras, propulsadas por velas solares al sistema estelar más cercano a la Tierra a una velocidad que permitiría llegar allí en poco más de dos décadas.
Retos por delante
La capacidad de la vela solar de Chang para reflejar eficientemente la luz láser y su baja masa la hacen ideal para este tipo de misiones, donde alcanzar una fracción significativa de la velocidad de la luz es fundamental.
Aunque el equipo ha logrado crear estas estructuras en pequeñas obleas en el laboratorio, queda por demostrar su tecnología a gran escala para fabricar grandes velas de varios metros de longitud. También deben demostrar su durabilidad y la resistencia de la vela en el duro entorno del espacio, algo crucial para el éxito de la misión, sobre todo a la velocidad que necesitan.
Chang ha demostrado con su estudio que están en el camino correcto. El potencial de esta tecnología es enorme. La capacidad de la vela solar fabricada con cristales fotónicos para alcanzar una alta reflectividad en un amplio rango de longitudes de onda y su baja masa, abren la posibilidad de alcanzar velocidades cercanas a la de la luz, algo inimaginable con las tecnologías de propulsión actuales.
21/12/2023
