Caltech Dá os Primeiros Passos em Direção a Velas Solares Que Poderiam Alcançar Sistemas Estelares Distantes

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Imagem: Space Daily

Ilustrativo.

No dia de ontem (03/02), o portal Space Daily noticiou que a Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech) está dando os Primeiros Passos em direção a Velas Solares que poderiam alcançar Sistemas Estelares Distantes.

 

De acordo coma nota do portal, a ideia de viajar através do espaço interestelar usando naves espaciais propulsionadas por velas ultrafinas pode soar como algo de romances de ficção científica. Mas, na realidade, um programa iniciado em 2016 por Stephen Hawking e Yuri Milner, conhecido como Iniciativa Breakthrough Starshot, tem explorado essa ideia. O conceito é usar lasers para impulsionar pequenas sondas espaciais presas a "velas solares" a alcançar velocidades ultrarrápidas e, eventualmente, o nosso sistema estelar mais próximo, Alpha Centauri.

 

O Caltech está liderando a comunidade mundial que trabalha para alcançar esse objetivo audacioso. "A vela solar viajará mais rápido do que qualquer nave espacial anterior, com o potencial de, eventualmente, abrir distâncias interestelares para a exploração direta de naves espaciais, que agora são acessíveis apenas por observação remota", explica Harry Atwater, titular da Cadeira de Liderança Otis Booth da Divisão de Engenharia e Ciências Aplicadas e professor de Física Aplicada e Ciência dos Materiais do Caltech.

 

Agora, Atwater e seus colegas do Caltech desenvolveram uma plataforma para caracterizar as membranas ultrafinas que um dia poderão ser usadas para fazer essas velas solares. Sua plataforma de testes inclui uma maneira de medir a força que os lasers exercem sobre as velas e que será usada para enviar a nave espacial pelo espaço. Os experimentos da equipe marcam o primeiro passo para passar das propostas teóricas e designs das velas solares para observações e medições reais dos conceitos chave e dos materiais potenciais.

 

"Existem inúmeros desafios envolvidos no desenvolvimento de uma membrana que poderia ser usada como vela solar. Ela precisa resistir ao calor, manter sua forma sob pressão e se mover de forma estável ao longo do eixo de um feixe de laser", diz Atwater. "Mas antes de começarmos a construir tal vela, precisamos entender como os materiais respondem à pressão da radiação dos lasers. Queríamos saber se poderíamos determinar a força exercida sobre uma membrana apenas medindo seus movimentos. Acontece que conseguimos."

 

Um artigo descrevendo o trabalho foi publicado na revista Nature Photonics. Os principais autores do artigo são o pós-doutorando em física aplicada Lior Michaeli e o estudante de doutorado em física aplicada Ramon Gao (MS '21), ambos do Caltech.

 

O objetivo é caracterizar o comportamento de uma vela solar movendo-se livremente. Mas, como primeiro passo, para começar a estudar os materiais e as forças propulsoras no laboratório, a equipe criou uma vela solar em miniatura que é presa nas extremidades dentro de uma membrana maior.

 

Os pesquisadores usaram equipamentos no Kavli Nanoscience Institute do Caltech e uma técnica chamada litografia por feixe de elétrons para criar cuidadosamente um padrão em uma membrana de nitreto de silício de apenas 50 nanômetros de espessura, criando algo que se parece com um trampolim microscópico. O mini trampolim, um quadrado de apenas 40 micrômetros de largura e 40 micrômetros de comprimento, é suspenso nas extremidades por molas de nitreto de silício. Em seguida, a equipe irradiou a membrana com luz de laser de argônio em um comprimento de onda visível. O objetivo era medir a pressão da radiação que a vela solar em miniatura experimentava, observando os movimentos do trampolim enquanto ele se movia para cima e para baixo.

 

Porém, a perspectiva física muda quando a vela está presa, diz o coautor principal Michaeli. "Neste caso, a dinâmica se torna bastante complexa." A vela age como um ressonador mecânico, vibrando como um trampolim quando atingida pela luz.

 

Um desafio importante é que essas vibrações são principalmente impulsionadas pelo calor do feixe de laser, o que pode mascarar o efeito direto da pressão da radiação. Michaeli diz que a equipe transformou esse desafio em uma vantagem. "Nós não apenas evitamos os efeitos indesejados de aquecimento, mas também usamos o que aprendemos sobre o comportamento do dispositivo para criar uma nova maneira de medir a força da luz."

 

O novo método permite que o dispositivo atue também como um medidor de potência para medir tanto a força quanto a potência do feixe de laser.

 

"O dispositivo representa uma pequena vela solar, mas uma grande parte do nosso trabalho foi elaborar e realizar um esquema para medir com precisão o movimento induzido por forças ópticas de longo alcance", diz o coautor principal Gao.

 

Para isso, a equipe construiu o que é chamado de interferômetro de caminho comum. Em geral, o movimento pode ser detectado pela interferência de dois feixes de laser, onde um atinge a amostra vibrante e o outro segue um local fixo. No entanto, em um interferômetro de caminho comum, porque os dois feixes percorreram praticamente o mesmo caminho, eles encontraram as mesmas fontes de ruído ambiental, como equipamentos funcionando nas proximidades ou até mesmo pessoas conversando, e esses sinais são eliminados. O que resta é o sinal muito pequeno do movimento da amostra.

 

Os engenheiros integraram o interferômetro no microscópio que usaram para estudar a vela solar em miniatura e alojaram o dispositivo dentro de uma câmara de vácuo feita sob medida. Eles então conseguiram medir movimentos da vela tão pequenos quanto picômetros (trilionésimos de metro), assim como sua rigidez mecânica – isto é, o quanto as molas se deformaram quando a vela foi empurrada pela pressão da radiação do laser.

 

Como os pesquisadores sabem que uma vela solar no espaço não permaneceria sempre perpendicular a uma fonte de laser na Terra, eles, em seguida, inclinaram o feixe de laser para simular isso e novamente mediram a força com que o laser empurrava a mini vela.

 

Importante, os pesquisadores levaram em conta o espalhamento do feixe de laser em um ângulo e, portanto, a falha em atingir a amostra em algumas áreas, calibrando seus resultados com a potência do laser medida pelo próprio dispositivo. No entanto, a força nessas circunstâncias foi menor do que o esperado. No artigo, os pesquisadores hipotetizam que parte do feixe, quando direcionado em um ângulo, atinge a borda da vela, causando o espalhamento da luz em outras direções.

 

Olhando para o futuro, a equipe espera usar a nanotecnologia e metamateriais – materiais cuidadosamente projetados nessa escala minúscula para ter propriedades desejáveis – para ajudar a controlar o movimento lateral e a rotação de uma vela solar em miniatura.

 

"O objetivo seria ver se podemos usar essas superfícies nanoestruturadas para, por exemplo, imprimir uma força restauradora ou torque em uma vela solar", diz Gao. "Se uma vela solar se mover ou girar para fora do feixe de laser, gostaríamos que ela se movesse ou girasse de volta sozinha."

 

Os pesquisadores observam que eles podem medir o movimento lateral e a rotação com a plataforma descrita no artigo. "Este é um passo importante para observar forças e torques ópticos projetados para permitir que uma vela solar em aceleração livre ande pelo feixe de laser", diz Gao.

 

O artigo, "Medições diretas de pressão de radiação para membranas de vela solar", foi publicado em 30 de janeiro. Juntamente com Atwater, Michaeli e Gao, os autores adicionais do Caltech no artigo são o cientista sênior Michael D. Kelzenberg (PhD '10), o ex-pós-doutorando Claudio U. Hail e o professor de pesquisa John E. Sader. Adrien Merkt também é autor do artigo, tendo participado do projeto como estudante de pós-graduação na ETH Zurich. O trabalho foi apoiado pelo Air Force Office of Scientific Research e pela Iniciativa Breakthrough Starshot.

 

Relatório de pesquisa: Direct radiation pressure measurements for lightsail membranes

 

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