p Um dia em um futuro não tão distante, velas leves podem voar através do espaço a velocidades de cerca de 20% da velocidade da luz (ou 60, 000 km / s), impulsionado não por combustível, mas pela pressão de radiação de lasers de alta potência na Terra. Viajando a essas velocidades relativísticas, velas de luz movidas a laser poderiam alcançar nossa estrela vizinha mais próxima (que não seja o Sol), Alpha Centauri, ou o planeta potencialmente habitável conhecido mais próximo, Proxima Centauri b, em cerca de 20 anos. Ambos os objetos estão a pouco mais de quatro anos-luz de distância. p Projetar velas leves é um grande desafio de engenharia, Contudo, exigindo recursos conflitantes que parecem quase impossíveis:uma vela leve ideal deve ter vários metros de largura e ser mecanicamente robusta o suficiente para suportar a pressão de radiação intensa, ainda assim, ter apenas 100 nanômetros ou mais de espessura e pesar apenas alguns gramas.

p Outros requisitos surgem do mecanismo pelo qual velas leves funcionam. De acordo com as equações de Maxwell, a luz tem impulso e, como resultado, pode exercer pressão sobre os objetos. Contudo, velas leves não são simplesmente empurradas pela pressão da radiação como um veleiro é empurrado pelo vento. Em vez de, o impulso resulta da vela leve refletindo a radiação. Como resultado, uma vela ideal deve refletir a maioria da radiação no espectro infravermelho próximo do feixe de laser, ao mesmo tempo em que emite radiação na faixa do infravermelho médio para um resfriamento radiativo eficiente.

p Velas nanofotônicas

p Em um novo estudo publicado em Nano Letras , pesquisadores Ognjen Ilic, Cora foi, e Harry Atwater do California Institute of Technology, Pasadena, mostraram que as estruturas nanofotônicas podem ter o potencial de atender aos rigorosos requisitos de materiais para velas leves, capazes de viajar a velocidades relativísticas.

p Projetos anteriores de velas leves usavam materiais como alumínio ultrafino, vários polímeros, e fibra de carbono. Ao contrário desses materiais, estruturas nanofotônicas têm a capacidade de manipular a luz em escalas de comprimento de onda, dando-lhes uma vantagem no atendimento aos requisitos simultâneos de propulsão eficiente (reflexão) e gerenciamento térmico (emissão). Como um exemplo, os pesquisadores mostraram que uma pilha de duas camadas de silício e sílica é promissora devido às propriedades combinadas de ambos os materiais. Considerando que o silício tem um grande índice de refração - que corresponde a uma propulsão eficiente - mas uma baixa capacidade de resfriamento, a sílica tem boas propriedades de resfriamento radiativo, mas um índice de refração menor.

p Em seu jornal, os pesquisadores também propuseram uma nova figura de mérito que mede o trade-off entre atingir uma massa de vela baixa e uma alta refletividade. No futuro, este conceito ajudará a minimizar as restrições na potência do laser e no tamanho da matriz do laser.

p Plano de fundo em velas leves

p Embora conceituado por quase um século, apenas nas últimas décadas a tecnologia alcançou as primeiras visões dos cientistas de impulsionar uma espaçonave com a pressão da luz. Inspirado pela maneira como a radiação do Sol empurra a cauda de um cometa na direção oposta, os primeiros conceitos eram de velas solares que usam a pressão de radiação da luz solar em vez de lasers.

p A primeira vela solar foi lançada em 2010 pela Agência de Exploração Aeroespacial do Japão (JAXA) e alcançou com sucesso a órbita de Vênus em seis meses, alimentado apenas pela pressão de radiação da luz solar. Agora, os pesquisadores estão trabalhando no projeto de velas solares capazes de maiores acelerações que são competitivas com a aceleração de foguetes, oferecendo a possibilidade de lançar espaçonaves sem o custo de um bilhão de dólares dos propelentes convencionais.

p Embora as velas solares possam atingir velocidades semelhantes às de foguetes, a radiação solar é relativamente fraca em comparação com uma matriz de laser de alta potência. Como resultado, uma matriz de laser oferece o potencial para uma propulsão muito mais rápida, até velocidades relativísticas - mas é necessário mais trabalho antes que essas velas movidas a laser sejam demonstradas. p © 2018 Phys.org