La tecnología se aproxima cada vez más a los relatos de ciencia ficción en los que rayos de luz elevan a personas y animales hacia naves espaciales: en un entorno de laboratorio similar al de Marte, se ha conseguido por primera vez desplazar objetos macroscópicos impulsados por láser.
Los rayos tractores son “misteriosos” porque pueden agarrar y levantar objetos. El concepto de rayo tractor fue creado originalmente en 1931 por el escritor norteamericano de ciencia-ficción Edward Elmer Smith, pero ha llegado a fascinar tanto a los científicos y los ingenieros que, a lo largo de los años, han alcanzado logros significativos que se aproximan cada vez más a la fantasía futurista.
En 2015, investigadores de la Universidad Pública de Navarra y de 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 con forma de pinzas, tornados o botellas.
Este equipo demostró que existen al menos tres formas diferentes de campos de fuerza acústicos que trabajan como rayos tractores. Pero no son las únicas fuerzas capaces de mover objetos a distancia.
Tractores ópticos
También se han desarrollado haces tractores ópticos que utilizan el efecto mecánico de la luz. Propuestos inicialmente en 2011, se basan en el hecho de que la luz contiene energía e impulso, y que estas características se pueden utilizar para varios tipos de manipulación óptica, como la levitación y la rotación.
Las pinzas ópticas, claro ejemplo de estos desarrollos, son instrumentos científicos de uso común que usan luz láser para sujetar y manipular a distancia objetos diminutos como átomos o células.
Durante los últimos diez años, sin embargo, los científicos han estado trabajando en un nuevo tipo de manipulación óptica: el uso de luz láser para crear un rayo tractor óptico capaz de atraer objetos más grandes. Y estos esfuerzos han arrojado ahora un resultado satisfactorio.
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 por la presión de la luz.
En un artículo publicado en la revista Optics Express, los autores de esta investigación explican que hasta ahora se había establecido que la luz era demasiado pequeña para atraer un objeto macroscópico. Añaden sin embargo que, gracias a un nuevo enfoque, la fuerza de atracción de la luz puede adquirir una amplitud mucho mayor y trascender el mundo microscópico.
De hecho, explica Lei Wang, uno de los investigadores en un comunicado, la fuerza de atracción de la luz conseguida con este nuevo enfoque es más de tres órdenes de magnitud mayor que la presión de la luz utilizada para impulsar una vela solar, un método de propulsión para sondas y naves espaciales alternativo o complementario al uso de motores que se vale del impulso de los fotones para ejercer una pequeña fuerza de empuje a través del espacio.
Grafeno y sílice
Wang y sus colegas demuestran que los objetos macroscópicos compuestos a base de grafeno y sílice pueden usarse para la tracción con láser en un entorno de gas enrarecido, un ambiente que tiene una presión similar a la que se encuentra en Marte, que es unas 100 veces menos densa que la de la Tierra.
Cuando se irradia con un láser, la estructura de esos objetos crea una diferencia de temperatura inversa, lo que significa que el lado opuesto al láser se calienta más.
Después de ser irradiados por un rayo láser, las moléculas de gas presentes en esa parte posterior reciben más energía y empujan el objeto hacia la fuente de luz.
Fuerza láser
La combinación de este proceso con la baja presión de aire de un entorno de gas enrarecido 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 que, aplicada durante un segundo a una masa de 1 kg, incrementa su velocidad en 1 m/s. Un micronewton equivale a una millonésima parte de un newton.
Péndulo de torsión
El experimento giró en torno a un péndulo de torsión, una forma de movimiento oscilatorio empleado frecuentemente, por ejemplo, en los componentes de la suspensión de los automóviles.
El péndulo de torsión utilizado en este experimento estaba hecho con la estructura de grafeno y sílice y demostró que el fenómeno de la atracción láser se podía observar a simple vista: ambos dispositivos tenían unos cinco centímetros de largo.
Cabe señalar, sin embargo, que el objeto macroscópico atraído mediante la luz fue diseñado especialmente para el experimento y que se llevó a cabo en condiciones de laboratorio muy específicas: a presión mucho más baja que la presión atmosférica terrestre.
Los investigadores consideran que, si la efectividad de este rayo tractor está actualmente comprometida en la Tierra, sin embargo, podría resultar útil en otros planetas.
Válido para Marte
"Como el entorno de gas enrarecido que usamos para demostrar la técnica es similar al encontrado en Marte, puede tener el potencial de manipular vehículos o aeronaves en Marte”, dice Wang.
Hay que tener en cuenta al respecto que la NASA está pensando en utilizar rayos tractores para recolectar muestras marcianas y que esta tecnología podría utilizarse también para recolectar partículas de las colas de los cometas o de las nubes en la atmósfera terrestre o de otros planetas.
Estos potenciales desarrollos no tienen nada que ver con lo que nos cuenta la ciencia ficción, que nos ha hablado de rayos tractores lanzados por naves espaciales para “secuestrar” animales o personas de nuestro planeta, pero el concepto desarrollado en esta investigación seguramente tendrá implicaciones importantes para la exploración espacial.
Prueba de concepto
Los investigadores advierten, no obstante, que este trabajo es solo una prueba de concepto y que sería necesario mejorar muchos aspectos de la técnica antes de que sea práctica, ya sea en la Tierra o en otros planetas.
Por ejemplo, se necesita un modelo teórico sistemático para predecir con precisión la fuerza de tracción del láser para determinados parámetros, incluida la geometría del objeto, la energía del láser y los medios circundantes.
También les gustaría mejorar la estrategia de extracción del láser para que pueda funcionar con una gama más amplia de presiones de aire.
“Nuestro trabajo demuestra que la manipulación flexible de la luz de un objeto macroscópico es factible 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.
Fuente LEVANTE