Es posible maniobrar satélites con un láser

Científicos aseguran que láseres de baja potencia podrían impulsar pequeñas sondas interplanetarias equipadas con velas de nitruro de boro o nitruro de silicio.

La meta sería conseguir algún día usar láseres para ajustar la órbita de los satélites tras su lanzamiento a la órbita terrestre o para propulsar diminutas sondas espaciales con vela en misiones interplanetarias, sin necesidad de tener que llevar a bordo grandes cantidades de combustible. Los cálculos también indican que los láseres podrían maniobrar pequeños satélites en órbita a la Tierra para hacerles cambiar de órbita mucho más rápido que lo que hoy es posible con los actuales cohetes químicos e iónicos. El equipo ha determinado que los mejores materiales para las velas láser, los cuales permitían una alta reflectividad y un rápido enfriamiento, son el nitruro de silicio y el nitruro de boro estructurados a nanoescala.

Históricamente, los viajes a otros planetas han sido muy largos, llegando a más de una década en el caso de los más lejanos. Viajar a Próxima Centauri b, el planeta potencialmente habitable más cercano a la Tierra, requeriría miles de años incluso con los cohetes más grandes.

Ahora, Ho-Ting Tung y Artur R. Davoyan de la Universidad de California en Los Ángeles (UCLA), Estados Unidos, han calculado que láseres de baja potencia emplazados en la superficie de la Tierra podrían impulsar y maniobrar pequeñas sondas interplanetarias equipadas con velas de nitruro de boro o nitruro de silicio, impulsándolo a velocidades mucho más rápidas que las alcanzables mediante cohetes convencionales.

Hasta ahora se han desarrollado y probado ya varios modelos de velas ligeras, entre ellas la LightSail y la LightSail 2, de la Planetary Society, o el satélite IKAROS, de la agencia espacial japonesa JAXA. Además, distintas organizaciones, como Breakthrough Starshot, Project Dragonfly y Starlight, de la NASA, exploran seriamente la idea de velas ligeras aceleradas por matrices láser.

En vez de atrapar el viento como las velas de los barcos, las "velas láser" atraparían los rayos láser y podrían, en principio, impulsar las naves espaciales hasta casi la velocidad de la luz. En el campo teórico, se trabaja desde hace tiempo en este concepto.

La exploración espacial es de suma importancia para el avance de la ciencia fundamental y la economía global. Sin embargo, las misiones espaciales actuales están limitadas por las tecnologías de propulsión existentes. Aquí examinamos el uso de velas ligeras impulsadas por láser para maniobras orbitales terrestres ágiles y para la exploración de tránsito rápido del sistema solar y el medio interestelar, así lo indica en su publicación Ho Ting Tung, uno de los autores principales de este estudio.

Este nuevo concepto está recibiendo mucha más atención y todo apunta que se pasará de la teoría a la práctica en un futuro cercano. Por ejemplo, un proyecto financiado con fondos privados, denominado Breakthrough Starshot, pretende enviar una minúscula sonda espacial con vela láser y tan solo alrededor de un gramo de peso a Próxima Centauri b. El vuelo solo duraría 20 años. Sería propulsada por un conjunto de láseres de 100 gigavatios y un kilómetro de superficie. Un gigavatio son mil millones de vatios. La nave alcanzaría hasta un 20 por ciento de la velocidad de la luz.

Tung y Davoyan se preguntaron si conjuntos de láseres más pequeños y de menor potencia podrían utilizarse en aplicaciones en las que ahora se emplean cohetes químicos o iónicos. La meta sería conseguir algún día usar láseres para ajustar la órbita de los satélites tras su lanzamiento a la órbita terrestre o para propulsar diminutas sondas espaciales con vela en misiones interplanetarias, sin necesidad de tener que llevar a bordo grandes cantidades de combustible.

Los investigadores realizaron cálculos y la conclusión es que incluso láseres con potencias modestas, del orden de los 100 kilovatios y tamaños de aproximadamente un metro podrían impulsar una sonda interplanetaria de 1 gramo de peso hasta velocidades muy superiores a las actuales, con solo minutos u horas de iluminación láser.

“Mostramos que la propulsión láser se vuelve práctica con potencias láser mayores a 100 kW y tamaños de matriz láser de 1 m, que son factibles a corto plazo. “Nuestro análisis indica que las naves espaciales livianas pueden ser impulsadas por láseres a órbitas que están más allá del alcance de los sistemas actuales” indica Ting.

Los cálculos también indican que los láseres podrían maniobrar pequeños satélites en órbita a la Tierra para hacerles cambiar de órbita mucho más rápido que lo que hoy es posible con los actuales cohetes químicos e iónicos.

El equipo ha determinado que los mejores materiales para las velas láser, los cuales permitían una alta reflectividad y un rápido enfriamiento, son el nitruro de silicio y el nitruro de boro estructurados a nanoescala.

Por último, los investigadores han calculado que estas diminutas sondas propulsadas por láser podrían viajar lo suficientemente rápido como para escapar del sistema solar, alcanzando velocidades 5 veces superiores a las de la sonda espacial New Horizons, la cual llegará al espacio interestelar en la década de 2040.

“Discutimos los requisitos de materiales y diseños fotónicos e introducimos nuevas figuras de mérito. Mostramos que las velas ligeras hechas de nitruro de silicio y nitruro de boro son particularmente adecuadas para las aplicaciones discutidas. Nuestra arquitectura puede allanar el camino hacia redes orbitales terrestres ubicuas y misiones de tránsito rápido y bajo costo en todo el sistema solar” concluye el científico.

Referencia:

Ho Ting Tung et al. Low-Power Laser Sailing for Fast-Transit Space Flight. Nano Letters 2022. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c04188

Doctor Fisión

Doctor Fision

Divulgador científico especialista en física y astrofísica, y apasionado de la ciencia en general. Autor del bestseller "El Universo Explicado" y de "La Nueva Carrera Espacial". Tiene más de 3 millones de seguidores en redes sociales.

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