Las velas solares intergalácticas enfrentan un inesperado obstáculo a 75% de la velocidad de la luz

El avance hacia otras estrellas en un tiempo razonable requiere de tecnologías mucho más avanzadas que los cohetes químicos. Una de las propuestas más prometedoras es la utilización de velas solares, estructuras reflectantes que pueden ser impulsadas por la luz. Si se dirigen potentes láseres hacia estas velas, se podría acelerar su movimiento a velocidades mucho mayores que las que permiten los sistemas de propulsión actuales.

Sin embargo, un nuevo estudio de Chao Shen y Jiaze Li del Instituto de Tecnología de Harbin advirtió sobre un problema inesperado que surge cuando una vela solar comienza a viajar a una fracción significativa de la velocidad de la luz. Según los investigadores, la misma luz que se utiliza para propulsar la vela podría generar un efecto de arrastre.

Cómo la luz impulsa una vela solar

Los científicos clasificaron las fuerzas generadas por los fotones que impactan en una vela solar en tres categorías. La más potente proviene de la luz incidente, que es el momento que los fotones transfieren al chocar con la vela. La segunda es la reflexión especular, que ocurre cuando los fotones rebotan perfectamente. La más débil es la dispersión difusa, que ocurre cuando los fotones son absorbidos por la vela y luego se reemiten en direcciones aleatorias.

A bajas velocidades, estos efectos contribuyen a impulsar la vela hacia adelante. Sin embargo, la situación se complica considerablemente a medida que la nave espacial alcanza velocidades relativistas.

El efecto Doppler debilita el impulso

Conforme la vela se aleja de la fuente láser, la luz que la alcanza sufre un corrimiento Doppler, lo que provoca una disminución en la frecuencia de la luz entrante y, por ende, en la cantidad de empuje generado por las tres componentes. Esto hace que la aceleración se vuelva cada vez menos eficiente. Cuanto más rápido viaja la vela, más difícil resulta para el láser seguir aumentando su velocidad.

La situación se torna aún más dramática una vez que la vela alcanza aproximadamente el 75% de la velocidad de la luz.

Cuando la luz dispersa comienza a crear arrastre

A esa velocidad, la aberración de la luz relativista se vuelve significativa. Desde la perspectiva de un observador en la Tierra, la luz dispersa comienza a dirigirse hacia adelante, en la dirección en la que viaja la vela. Dado que toda acción tiene una reacción igual y opuesta, esta radiación dirigida hacia adelante produce una fuerza en la dirección opuesta, lo que significa que la dispersión difusa, aunque es la más débil de las tres fuerzas, comienza a actuar como arrastre una vez que la vela supera aproximadamente el 75% de la velocidad de la luz.

Aunque el láser sigue empujando la vela hacia adelante, la eficiencia del sistema de propulsión disminuye considerablemente.

Las velas solares reales enfrentarían aún más desafíos

El estudio se centra específicamente en la dinámica radiativa y no incluye efectos no radiativos como colisiones o el arrastre de gas o polvo interestelar. Además, no considera los límites térmicos de los materiales reales de la vela, que podrían sobrecalentarse o incluso derretirse al estar expuestos a un láser extremadamente potente. Para simplificar, los investigadores modelaron la vela solar como un espejo ideal. Las naves espaciales reales probablemente utilizarían materiales mucho más sofisticados.

Los ingenieros ya están investigando metamateriales avanzados y cristales fotónicos diseñados para longitudes de onda láser específicas. En teoría, estos materiales podrían aprovechar los efectos de aberración descritos en el estudio, ayudando a una vela solar a corregir automáticamente su orientación y estabilizar su trayectoria para permanecer centrada dentro del haz láser.

El largo camino hacia el vuelo intergaláctico

Aún falta mucho para que una vela solar intergaláctica totalmente operativa se convierta en realidad. Viajar a través de distancias interestelares introduce muchas complicaciones adicionales, incluida la curvatura del espacio-tiempo, que el estudio también simplifica. No obstante, comprender estos efectos a altas velocidades es fundamental para determinar cómo podrían funcionar eventualmente estas naves espaciales. Si la humanidad envía alguna vez una sonda a otra estrella, los ingenieros necesitarán un entendimiento detallado de cada fuerza que podría afectar su viaje.

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