Como projetar uma vela que não rasgue ou derreta em uma viagem interestelar

Concepção artística da espaçonave Starshot Lightsail durante a aceleração por uma matriz de laser terrestre. Concepções anteriores de velas de luz as imaginavam sendo empurradas passivamente pela luz do sol, mas a abordagem baseada em laser da Starshot exige repensar a forma e a composição da vela para que ela não derreta ou rasgue durante a aceleração. Crédito:Masumi Shibata, Iniciativas inovadoras

Os astrônomos esperam décadas pelo lançamento do Telescópio Espacial James Webb, que promete espiar mais longe no espaço do que nunca. Mas se os humanos quiserem realmente alcançar nosso vizinho estelar mais próximo, eles precisarão esperar um pouco mais:uma sonda enviada para Alpha Centauri com um foguete precisaria de aproximadamente 80.000 anos para fazer a viagem.
Igor Bargatin, Professor Associado do Departamento de Engenharia Mecânica e Mecânica Aplicada, está tentando resolver esse problema futurista com ideias retiradas de uma das tecnologias de transporte mais antigas da humanidade:a vela.

Como parte da Iniciativa Breakthrough Starshot, ele e seus colegas estão projetando o tamanho, a forma e os materiais para uma vela impulsionada não pelo vento, mas pela luz.

Usando materiais nanoscopicamente finos e uma série de lasers poderosos, essa vela poderia transportar uma sonda do tamanho de um microchip a um quinto da velocidade da luz, rápido o suficiente para fazer a viagem a Alpha Centauri em cerca de 20 anos, em vez de milênios.

“Alcançar outra estrela dentro de nossas vidas exigirá velocidade relativística, ou algo próximo da velocidade da luz”, diz Bargatin. “A ideia de uma vela leve já existe há algum tempo, mas agora estamos descobrindo como garantir que esses projetos sobrevivam à viagem”.

Grande parte das pesquisas anteriores no campo presumiram que o sol forneceria passivamente toda a energia que as velas leves precisariam para se mover. No entanto, o plano da Starshot de levar suas velas a velocidades relativísticas requer uma fonte de energia muito mais focada. Uma vez que a vela está em órbita, uma enorme variedade de lasers terrestres direcionaria seus feixes para ela, fornecendo uma intensidade de luz milhões de vezes maior que a do sol.

Dado que o alvo dos lasers seria uma estrutura de três metros de largura mil vezes mais fina que uma folha de papel, descobrir como evitar que a vela rasgue ou derreta é um grande desafio de projeto.

Bargatin, Deep Jariwala, Professor Assistente do Departamento de Engenharia Elétrica e de Sistemas, e Aaswath Raman, Professor Assistente do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da Escola de Engenharia da UCLA Samueli, publicaram agora dois artigos na revista Nano Letras que descrevem algumas dessas especificações fundamentais.

Um artigo, liderado por Bargatin, demonstra que as velas de luz da Starshot – propostas para serem construídas com folhas ultrafinas de óxido de alumínio e dissulfeto de molibdênio – precisarão ondular como um pára-quedas em vez de permanecer planas, como supunha a pesquisa anterior.

“A intuição aqui é que uma vela muito apertada, seja em um veleiro ou no espaço, é muito mais propensa a lágrimas”, diz Bargatin. “É um conceito relativamente fácil de entender, mas precisávamos fazer uma matemática muito complexa para realmente mostrar como esses materiais se comportariam nessa escala”.

Em vez de uma folha plana, Bargatin e seus colegas sugerem que uma estrutura curva, tão profunda quanto larga, seria mais capaz de suportar a tensão da hiperaceleração da vela, uma atração milhares de vezes maior que a gravidade da Terra.

"Os fótons de laser encherão a vela como o ar infla uma bola de praia", diz Matthew Campbell, pesquisador de pós-doutorado do grupo de Bargatin e principal autor do primeiro artigo. "E sabemos que recipientes leves e pressurizados devem ser esféricos ou cilíndricos para evitar rasgos e rachaduras. Pense em tanques de propano ou mesmo tanques de combustível em foguetes."

O outro artigo, liderado por Raman, fornece insights sobre como o padrão em nanoescala dentro da vela poderia dissipar com mais eficiência o calor que vem junto com um feixe de laser um milhão de vezes mais poderoso que o sol.

“Se as velas absorverem mesmo uma pequena fração da luz do laser incidente, elas aquecerão a temperaturas muito altas”, explicou Raman. “Para garantir que eles não se desintegrem, precisamos maximizar sua capacidade de irradiar seu calor, que é o único modo de transferência de calor disponível no espaço”.

Earlier light-sail research showed that using a photonic crystal design, essentially studding the sail's "fabric" with regularly spaced holes, would maximize the structure's thermal radiation. The researchers' new paper adds another layer of periodicity:swatches of sail fabric lashed together in a grid.

With the spacing of the holes matching the wavelength of light and the spacing of the swatches matching the wavelength of thermal emission, the sail could withstand an even more powerful initial push, reducing the amount of time the lasers would need to stay on their target.

"A few years ago, even thinking or doing theoretical work on this type of concept was considered far-fetched," Jariwala says. "Now, we not only have a design, but the design is grounded in real materials available in our labs. Our plan for the future would be to make such structures at small scales and test them with high-power lasers."

Pawan Kumar, a postdoctoral researcher in Jariwala's lab, as well as John Brewer and Sachin Kulkarni, members of Raman's lab at UCLA Samueli, contributed to this research. + Explorar mais