Materiales reflectantes innovadores para acelerar las sondas espaciales a años luz de distancia

Masumi Shibata Una ilustración de la nave espacial Starshot Lightsail durante la aceleración por una matriz de láser en tierra

9 de febrero de 2022

Viajar a Alpha Centauri, nuestro sistema estelar vecino más cercano a 4,37 años luz de distancia, llevaría mucho más que una vida. Incluso una de las sondas más rápidas que ha lanzado la humanidad, la Voyager 1, tardaría más de 70.000 años en llegar allí a su velocidad actual de 61.500 kilómetros por hora.

Aún así, la tentadora perspectiva de alcanzar otras estrellas durante nuestra vida ha motivado a muchos ingenieros a idear enfoques creativos para acelerar la propulsión de naves espaciales, incluidas las velas ligeras impulsadas por láser. En lugar de aprovechar el viento como sus antiguos primos a bordo, las velas ligeras son impulsadas por la luz que se refleja en sus superficies.

Fundado porDisparo estelar revolucionario, un programa de investigación e ingeniería de $ 100 millones que busca desarrollar una nueva tecnología para viajes interestelares sin tripulación, la investigación se publicó recientemente en Nano Letters. En dos documentos separados, los grupos propusieron y evaluaron nuevos conceptos en la forma, el tamaño y los materiales de las futuras velas ligeras diseñadas para acelerar rápidamente mientras se mantienen frescas para que no se sobrecalienten ni se evaporen en el espacio.

Un poderoso pulso láser emitido desde la superficie de la Tierra proporcionaría el impulso necesario para alcanzar las grandes velocidades requeridas para un viaje interestelar más rápido. Este rayo aceleraría una pequeña "nanonave", no más pesada que un tercio de una onza, a través del vacío del espacio. Si se diseña correctamente, una nave espacial de este tipo podría alcanzar velocidades de alrededor del 20% de la velocidad de la luz, unos 3,6 millones de kilómetros por hora. A esas velocidades, la nave espacial con destino a Alpha Centauri podría llegar a su destino en unos 30 años y luego podría enviar imágenes y mediciones a la Tierra.

La humanidad nunca antes había acelerado objetos macroscópicos a velocidades tan relativistas. Para lograr este avance, se requieren propiedades extremas de todos los componentes involucrados, desde los láseres hasta la sonda ultraligera, así como la propia vela.

Las velas deben ser extraordinariamente ligeras, mucho más ligeras que una pluma, pero capaces de reflejar adecuadamente la luz del láser para impulsarse hacia adelante. Una vela de unos 2 metros de diámetro puede pesar menos de un gramo, o unas pocas milésimas de libra.

Enuno de los papeles, los grupos de investigación abordaron un desafío fundamental al que se enfrentan las velas de luz láser: absorber incluso una pequeña fracción de la luz láser en una vela podría destruirla.

"Demostramos diseños que tienen la capacidad de acelerar rápidamente la vela y la embarcación que arrastra, mientras nos aseguramos de que no se desintegre de inmediato". dijo Aaswath Raman.

"Desafortunadamente, cuando apuntas un láser potente a algo, incluso si absorbe una fracción muy pequeña de esa luz láser, tenderá a calentarse mucho", dijo Aaswath Raman, profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales de la UCLA que dirigió este estudio. estudiar. "Nuestro objetivo era resolver este problema mediante el diseño de velas de luz a nanoescala que aprovecharan las propiedades únicas de los materiales y los comportamientos ópticos que surgen cuando los materiales se estructuran a escalas comparables a la longitud de onda de la luz entrante. Demostramos diseños que tienen la capacidad de acelerar rápidamente la vela y el nave que está arrastrando, mientras se asegura de que no se desintegre inmediatamente".

Investigaciones anteriores sobre velas ligeras se han centrado en aumentar la velocidad del vehículo a expensas de la durabilidad o viceversa, pero el equipo de UCLA-UPenn tiene como objetivo lograr un equilibrio realista entre ambos.

El equipo incorporó disulfuro de molibdeno, un material "2D" atómicamente delgado emergente con un alto índice de refracción, junto con nitruro de silicio, un material que también tiene las propiedades necesarias para irradiar el calor de manera efectiva. Su modelado muestra que este diseño de vela no solo podría sobrevivir a la fase de aceleración inicial que impulsa las velas ligeras hacia adelante, sino que también podría alcanzar la velocidad objetivo a una distancia cercana a la Tierra. Esto es importante porque el láser que apunta a la vela se emitirá desde la Tierra y no podrá impulsar la vela una vez que el vehículo supere cierta distancia.

El nuevo material de la vela podría incorporarse a un diseño en el que se amarren juntos cuadrados muy pequeños de la tela, de aproximadamente una centésima de milímetro, en lugar de una sola hoja, para mejorar aún más la disipación del calor.

El autor principal del artículo es John Brewer, un estudiante de doctorado de UCLA asesorado por Raman y apoyado por una beca de investigación de posgrado de la Fundación Nacional de Ciencias. Otros autores principales del artículo incluyen a Deep Jariwala de Penn Engineering, profesor asistente de ingeniería eléctrica y de sistemas, e Igor Bargatin, profesor asociado de ingeniería mecánica y mecánica aplicada. Otros autores incluyen al estudiante universitario de UCLA Sachin Kulkarni y los investigadores postdoctorales de Penn Engineering Matthew Campbell y Pawan Kumar.

Enel segundo papel, los investigadores propusieron que el diseño de la vela debería permitir que sobresalga, más como un paracaídas, en lugar de ser plana.

"La intuición aquí es que una vela muy tensa, ya sea en un velero o en el espacio, es mucho más propensa a desgarrarse", dijo Bargatin, quien dirigió el estudio. "Es un concepto relativamente fácil de comprender, pero necesitábamos hacer cálculos matemáticos muy complejos para mostrar 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.

Campbell fue el autor principal de este artículo. Otros autores incluyen a Brewer, Jariwala y Raman.

Breakthrough Starshot es parte de Breakthrough Initiatives, un conjunto de programas de ciencia espacial que investigan las cuestiones fundamentales de la vida en el universo. Financiadas por Breakthrough Foundation, estas iniciativas filantrópicas fueron establecidas por Yuri y Julia Milner.