La tecnología se acerca cada vez más a las historias de ciencia ficción donde haces de luz elevan a personas y animales hacia naves espaciales: en un entorno de laboratorio similar al de Marte, fue posible por primera vez mover objetos macroscópicos impulsados por láseres.
Los rayos tractores son “misteriosos” porque pueden entender y plantear cosas. El concepto de rayo tractor fue acuñado por primera vez en 1931 por el escritor estadounidense de ciencia ficción Eduardo Elmer Smithpero los científicos y los ingenieros son tan interesantes que han logrado logros significativos a lo largo de los años que se acercan más a la fantasía del futuro.
En 2015, investigadores de la Universidad Pública de Navarra y Gran Bretaña construyeron el primer rayo tractor sónico del mundo, que podía levantar y mover objetos mediante ondas sonoras de gran amplitud, capaces de generar campos acústicos en forma de pinzas, tornados o botellas.
Este equipo demostró que existen al menos tres tipos diferentes de campos de fuerza de sonido que funcionan como rayos tractores. Pero las fuerzas no son las únicas cosas que pueden mover cosas a largas distancias.
tractores ópticos
También se han desarrollado haces tractores ópticos que utilizan el efecto mecánico de la luz. Propuestos por primera vez en 2011, se basan en el hecho de que la luz contiene energía y momento, y que estas características se pueden utilizar para diferentes tipos de manipulación óptica, por ejemplo levitación y el rotación.
el es pinzas ópticasUn claro ejemplo de estos desarrollos son los instrumentos científicos de uso común que utilizan luz láser para sujetar y manipular a distancia objetos diminutos como átomos o células.
En la última década, sin embargo, los científicos han estado trabajando en un nuevo tipo de manipulación óptica: usar luz láser para crear un rayo tractor óptico capaz de engañar. más cosas. Y estos esfuerzos ahora han dado resultados satisfactorios.
objetos macroscópicos
Un equipo de la Universidad de Ciencia y Tecnología de QingDao en China ha desarrollado por primera vez una forma de utilizar la luz láser para atraer un objeto macroscópico a través de la presión de la luz.
En un artículo publicado en la revista Óptica Express, los autores de esta investigación explican que hasta ahora se había demostrado que la luz era demasiado pequeña para atraer un objeto macroscópico. Sin embargo, agregan que gracias a un nuevo enfoque, la fuerza de atracción de la luz puede adquirir una amplitud mucho mayor y superar el mundo microscópico.
De hecho, explica lei wanguno de los investigadores en un comunicado, la fuerza de atracción de la luz lograda con este nuevo enfoque es más de tres órdenes de magnitud mayor que la presión de la luz utilizada para impulsar velas solares, un medio de propulsión para sondas y naves espaciales. complementario al uso de motores que utilizan impulsos de fotones para ejercer una pequeña fuerza de empuje a través del espacio.
grafeno y sílice
Wang y sus colegas muestran que el objetos macroscópicos compuestos de grafeno y sílice se pueden utilizar para la tracción láser en un entorno de gas enrarecido, un entorno con una presión similar a la que se encuentra en Marte, que es unas 100 veces menos denso que la Tierra.
Cuando se irradia con un láser, la estructura de estos objetos crea una diferencia de temperatura inversa, lo que significa que el lado opuesto al láser se calienta más.
Después de ser irradiadas por un rayo láser, las moléculas de gas presentes en esa parte posterior ganan más energía y empujan el objeto hacia la fuente de luz.
fuerza láser
La combinación de este proceso con baja presión de aire en un entorno de gas raro permitió a los investigadores obtener una fuerza de tracción láser lo suficientemente fuerte como para mover objetos macroscópicos.
El desplazamiento observado en este experimento fue de unos 2,5 mm y la fuerza de tracción del láser correspondiente se estima en 0,8 micronewtons. El Newton es la fuerza, aplicada durante un segundo a una masa de 1 kg, que aumenta su velocidad en 1 m/s. Un micronewton es igual a la millonésima parte de un newton.
péndulo de torsión
El experimento era sobre un péndulo de torsión, una forma de movimiento oscilatorio que se usa a menudo, por ejemplo, en los componentes de suspensión de automóviles.
El péndulo de torsión utilizado en este experimento se hizo con una estructura de grafeno y sílice y demostró que el fenómeno de la atracción del láser se podía ver a simple vista: ambos dispositivos tenían aprox. cinco centímetros largo
Cabe señalar, sin embargo, que el objeto macroscópico que atrajo la luz fue diseñado especialmente para el experimento y se fabricó en condiciones de laboratorio muy específicas: a una presión mucho más baja que la presión atmosférica en la Tierra.
Los investigadores creen que si la efectividad de este rayo tractor está actualmente en peligro en la Tierra, sin embargo, podría ser útil en otros planetas.
Válido para Marte
“Dado que el entorno de gas raro que usamos para demostrar la técnica es similar al que se encuentra en Marte, puede tener la capacidad de manipular vehículos o aviones en Marte”, dice Wang.
Cabe señalar en este sentido que la NASA está considerando utilizar rayos tractores para recolectar muestras marcianas y que esta tecnología también podría usarse para recolectar partículas de colas de cometas o nubes en la atmósfera terrestre o en otros planetas.
Estos posibles desarrollos no tienen nada que ver con lo que nos cuenta la ciencia ficción, que nos hablaba de rayos tractores enviados por naves espaciales para “secuestrar” animales o humanos en nuestro planeta, pero el concepto desarrollado en esta investigación sin duda tendrá importantes implicaciones para la exploración espacial.
prueba de concepto
Los investigadores advierten, sin embargo, que este trabajo es sólo una prueba de concepto y que muchos aspectos de la técnica tendrían que mejorarse antes de que fuera práctica, en la Tierra o en otro planeta.
Por ejemplo, se necesita un modelo teórico sistemático para predecir con precisión la fuerza de tracción del láser para ciertos parámetros, incluida la geometría del objeto, la energía del láser y los medios circundantes.
También quieren mejorar la estrategia de extracción del láser para que pueda funcionar con una gama más amplia de presiones de aire.
“Nuestro trabajo muestra que la manipulación flexible de la luz de un objeto macroscópico es posible cuando las interacciones entre la luz, el objeto y el medio se controlan cuidadosamente”, dijo Wang. “También muestra la complejidad de las interacciones láser-materia y que muchos fenómenos están lejos de ser entendidos tanto a escala macro como micro”, concluye.
Referencia
Noticias relacionadas
Tracción láser macroscópica basada en la fuerza de Knudsen en un gas escasamente tejido. LeiWang et al. Optics Express Volumen 31, Edición 2, p. 2665-2674 (2023). DOI: https://doi.org/10.1364/OE.480019
