Cristales fotónicos para velas lumínicas, ¿el inicio de una revolución en los viajes interestelares?

La mayoría de los viajes espaciales se efectúan mediante propulsión con cohetes químicos. Estos cohetes deben transportar combustible, lo que aumenta la masa de la nave espacial y limita su velocidad y distancia de viaje. Desde hace décadas, se viene investigando el concepto de las velas lumínicas como alternativa. Estos dispositivos utilizan la presión de radiación (la fuerza que se ejerce cuando la luz se refleja en una superficie) para generar empuje. Impulsada por un potente láser desde la Tierra, una vela lumínica puede acelerar su nave de manera continua y sin tener que llevar combustible a bordo, hasta alcanzar velocidades elevadísimas, lo que permitiría realizar viajes interplanetarios e incluso interestelares.

Las velas lumínicas convencionales suelen utilizar películas de polímero recubiertas de metal. Si bien estas películas reflejan la luz de manera eficiente, también absorben parte de la energía incidente y la convierten en calor. Mejorar la reflectividad a menudo requiere añadir material, lo que aumenta el peso y reduce la eficiencia de la propulsión. Estas desventajas han venido frenando el desarrollo de sistemas prácticos de velas solares.

Unos investigadores han desarrollado ahora un cristal fotónico para vela lumínica que será capaz de superar esas limitaciones.

La innovación es obra de Dimitar Dimitrov y Elijah Taylor Harris, de la Universidad de Tuskegee en Estados Unidos.

La estructura que han ideado se caracteriza por un patrón a escala nanométrica basado en tres componentes dieléctricos: pilares de germanio, cavidades y una matriz polimérica. A diferencia de las estructuras fotónicas convencionales de dos materiales, la arquitectura propuesta integra tres regiones dieléctricas, formando una estructura de banda prohibida fotónica selectiva en longitud de onda, optimizada para la reflectividad específica de la propulsión.

Esta configuración establece una banda prohibida fotónica estrecha centrada en la longitud de onda de propulsión, lo que resulta en una alta reflectividad dentro de esa ventana espectral, manteniendo una gran transparencia fuera de la banda diseñada.

Rasgos nanométricos de una muestra de la estructura de la nueva vela lumínica. (Foto: Dimitrov y Harris)

Los cristales fotónicos son materiales compuestos con patrones repetitivos a nanoescala que controlan la propagación de la luz a través de ellos. Empleando del modo idóneo materiales con diferentes índices de refracción, es factible crear una banda prohibida fotónica: un rango de longitudes de onda que no pueden atravesar la estructura y que se reflejan. En este diseño, los investigadores ajustaron la banda prohibida para que coincidiera con la longitud de onda del láser de propulsión. Al diseñar una banda prohibida fotónica estrecha alineada con la frecuencia del láser de propulsión, la vela propuesta puede permanecer mayormente transparente a la radiación solar ambiental, manteniendo una alta reflectividad en la banda de operación específica.

Con su diseño actual, el cristal fotónico alcanza aproximadamente un 90% de reflectividad a una longitud de onda de 1,2 micrómetros.

El nivel de eficiencia de una vela lumínica basada en este diseño haría factible su uso práctico en viajes interplanetarios, aunque no todavía en viajes interestelares. Para lograr esto último, habrá que mejorar el diseño.

Dimitrov y Harris exponen los detalles técnicos de su vela lumínica en la revista académica Journal of Nanophotonics, bajo el título “Design and manufacture of a photonic crystal light sail”. (Fuente: NCYT de Amazings)