Velas de Luz Precisam de Mais Potência Para Alcançar Outras Estrelas

Caros leitores e leitoras do BS!

 

No dia de ontem (20/03), o portal Inovação Tecnológica noticiou que uma Equipe do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech) desenvolve uma plataforma para caracterizar as membranas ultrafinas que um dia poderão ser usadas para fabricar velas que possam alcançar outras estrelas.

 

[Imagem: Breakthrough Starshot]

O objetivo final do projeto é impulsionar uma vela de luz com 10 metros quadrados de área e 100 nm ou menos de espessura.

Vela solar e Vela de luz

 

O conceito de velas solares já foi demonstrado no espaço, e poderá aproveitar a luz do Sol para impulsionar naves a grandes distâncias, com baixo consumo de eletricidade.

 

As velas solares são impulsionadas pelos fótons, graças a um fenômeno chamado pressão de radiação da luz. À medida que os fótons refletem sobre a superfície espelhada da vela, eles fornecem uma pequena quantidade de energia que empurra a vela para a frente, como o vento em uma vela eólica tradicional no mar - existem também velas solares difrativas.

 

Mas não queremos ficar limitados à vizinhança da nossa estrela, então emergiu um conceito derivado, que alguns chamam de "velas de luz" - o princípio de funcionamento é o mesmo, mas a luz da estrela é substituída por um canhão laser altamente focalizado, que pode permitir acelerações constantes - e, portanto, alcançar velocidades muito altas - para explorar os enormes vazios interestelares.

 

"A vela de luz viajará mais rápido do que qualquer nave espacial anterior, com potencial para eventualmente abrir as distâncias interestelares para a exploração por naves espaciais de algo que agora só é acessível por observação remota," disse o Professor Harry Atwater, do Instituto de Tecnologia da Califórnia.

 

[Imagem: Lior Michaeli et al. - 10.1038/s41566-024-01605-w]

Protótipo e princípio de funcionamento da vela solar em miniatura.

Protótipo de Vela de luz

 

Agora, a equipe do professor Atwater desenvolveu uma plataforma para caracterizar as membranas ultrafinas que um dia poderão ser usadas para fabricar essas velas de luz. Sua plataforma de teste inclui uma maneira de medir a força que os lasers exercem sobre as velas para fornecer empuxo para a espaçonave. Os experimentos da equipe marcam o primeiro passo para passar de propostas teóricas e projetos de velas de luz para observações e medições reais dos principais conceitos e materiais para sua fabricação.

 

"Existem vários desafios envolvidos no desenvolvimento de uma membrana que poderia, em última análise, ser usada como vela de luz. Ela precisa suportar o calor, manter sua forma sob pressão e navegar de forma estável ao longo do eixo de um feixe de laser," explicou Atwater. "Mas, antes de começarmos a construir tal vela, precisamos entender como os materiais respondem à pressão de radiação dos lasers. Queríamos saber se poderíamos determinar a força exercida sobre uma membrana apenas medindo seus movimentos. Acontece que podemos."

 

O objetivo é caracterizar o comportamento de uma vela de luz movendo-se livremente pelo espaço. Mas, como um primeiro passo, para começar a estudar os materiais e as forças propulsoras, a equipe criou uma vela de luz em miniatura e estacionária, que fica amarrada pelos cantos dentro de uma membrana maior.

 

A vela experimental consiste em uma membrana de nitreto de silício com apenas 50 nanômetros de espessura, criando algo que parece um trampolim, um quadrado com apenas 40 micrômetros de largura e 40 micrômetros de comprimento. A estrutura fica suspensa pelos cantos por molas de nitreto de silício.

 

Então a equipe atingiu a membrana com a luz de um laser de argônio em um comprimento de onda visível. O objetivo era medir a pressão de radiação que a vela de luz em miniatura experimentou medindo os movimentos do trampolim conforme ele se movia para cima e para baixo. "O dispositivo representa uma pequena vela de luz, mas uma grande parte do nosso trabalho foi conceber e concretizar um esquema para medir com precisão o movimento induzido por forças ópticas de longo alcance," disse o pesquisador Ramon Gao.

 

[Imagem: Lior Michaeli et al. - 10.1038/s41566-024-01605-w]

A equipe reconhece que testar uma vela ancorada é muito mais complicado do que testar uma vela de movimento livre, mas isso exigiria fazer testes no espaço.

Pouca Potência

 

O aparato experimental montado pela equipe permitiu medir movimentos da vela na faixa dos picômetros (trilionésimos de metro), bem como sua rigidez mecânica, ou seja, o quanto as molas se deformavam quando a vela era empurrada pela pressão de radiação do laser.

 

Como os pesquisadores sabem que uma vela de luz no espaço nem sempre permanecerá perpendicular à fonte de laser na Terra, eles então inclinaram o feixe de laser para imitar isso e novamente mediram a força com a qual o laser empurrava a mini vela. Mais importante, foi preciso contabilizar o feixe de laser se espalhando em ângulo e, portanto, perdendo o alvo.

 

Infelizmente, a força detectada foi menor do que o esperado - 70 femtoNewtons usando um feixe colimado de 110 W cm-2. Isso é muito menos do que o calculado, mostrando que ainda há trabalho a ser feito para viabilizar o conceito das velas de luz. Em seu artigo, os pesquisadores levantam a hipótese de que parte do feixe de laser, quando direcionado em um ângulo, atinge a borda da vela, fazendo com que uma parte da luz seja espalhada e enviada em outras direções.

 

Olhando para o futuro, a equipe espera usar nanociência e metamateriais - materiais cuidadosamente projetados nessa pequena escala para ter propriedades desejáveis - para ajudar a controlar o movimento lateral e a rotação de uma vela de luz em miniatura.

 

Nesse futuro, a expectativa é prover a propulsão para as naves da Iniciativa Starshot, que pretende enviar nanonaves para fazerem a primeira viagem interestelar.

 

Saiba Mais:

 

Artigo: Direct radiation pressure measurements for lightsail membranes

Autores: Lior Michaeli, Ramon Gao, Michael D. Kelzenberg, Claudio U. Hail, Adrien Merkt, John E. Sader, Harry A. Atwater

Revista: Nature Photonics

DOI: 10.1038/s41566-024-01605-w

 

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