Un ala óptica genera fuerza de impulso a partir de la luz

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Demostración del perfil fotodinámicoLos científicos esperan que este avance permita maniobrar a vehículos espaciales simplemente con los rayos del Sol.

Físicos de los Estados Unidos han demostrado el análogo óptico de un perfil aerodinámico – un perfil “fotodinámico” que genera fuerza de impulso cuando pasa a través de una luz láser.

La demostración, que llega más de un siglo después del desarrollo de los primeros aeroplanos, sugiere que el perfil fotodinámico algún día podría usarse para maniobrar objetos en el vacío del espacio exterior, usando simplemente los rayos del Sol. “Es casi como las primeras etapas de lo que hicieron los hermanos Wright”, dice el autor principal Grover Swartzlander, físico del Instituto Rochester de Tecnología en Nueva York, cuyo estudio aparece en Nature Photonics hoy1.

El principio del perfil fotodinámico es similar al del aerodinámico: ambos requieren que la presión sea mayor en un lado que en el otro, lo que genera una fuerza, o impulso, en esa dirección. Con el perfil aerodinámico, la diferencia de presión surge debido a que el aire debe pasar más rápido sobre el lado más largo y curvado para unirse de nuevo con el aire que pasa por debajo.

Con el perfil fotodinámico, la presión procede de la luz en lugar del aire. Tal “presión de radiación” fue teorizada por el físico James Clerk Maxwell y Adolfo Bartoli a finales del siglo XIX, y existe debido a que los fotones imparten momento a un objeto cuando se reflejan o pasan a través del mismo. Ésta es la razón, por ejemplo, de que la cola de un cometa siempre apunte en dirección contraria al Sol – los rayos solares la empujan.

Presión lumínica

Grover y sus colegas predicen que la presión de radiación podría generar impulso en un perfil fotodinámico, tras haber realizado análisis informáticos para aprender cómo la luz se refracta y refleja cuando entra en objetos de distintas formas. El éxito llegó en forma de bastón semi-cilíndrico, el cual mostró a partir de los análisis que una gran porción de rayos de luz incidentes deberían abandonarlo en dirección perpendicular. El lado que abandonan debería experimentar la mayor presión de radiación y, por tanto, impulsarse.

Para poner a prueba su predicción, Grover y su grupo dejó caer bastones semi-cilíndricos, de apenas unos micrómetros de longitud, en agua. Cuando los iluminaron con una luz láser desde abajo, los bastones se movieron hacia arriba – gracias a la fuerza de levitación directa del láser – pero también se movieron hacia un lado. Fue este posterior movimiento perpendicular el que, según afirman los investigadores, demuestra la existencia de un impulso óptico.

Una aplicación del perfil fotodinámico sería controlar la dirección de los vehículos espaciales que dependen de la presión de radiación para su impulso, tales como la nave de vela solar experimental LightSail-1, que la Sociedad Planetaria, una organización espacial pública estadounidense, está planeando lanzar el próximo año. La idea de perfil fotodinámico podría usarse también para propulsar micromáquinas, o trasportar partículas en líquidos.

Para estas últimas aplicaciones, Matt Eichenfield, físico especialista en sistemas a nanoescala ópticos mecánicos del Instituto Tecnológico de California en Pasadena, cree que sería más útil si el impulso pudiese darse en cualquier objeto transparente. Esto podría ser posible, dice, si el problema se considerase en sentido inverso, es decir, si la forma del haz láser, en lugar del objeto, es lo que se manipula.

Eichenfield añade, sin embargo que: “Es un efecto interesante. Y es clave, cuando este campo de la nanomecánica combinado con la óptica es más importante que revisar su fenómeno más simple, como hemos hecho aquí”.


Referencias:
1. Swartzlander, G. A., Peterson, T. J., Artusio-Glimpse, A. B. & Raisanen, A. D. Nature Photonics advance online publication doi:10.1038/NPHOTON.2010.266 (2010).

Autor: Jon Cartwright
Fecha Original: 5 de diciembre de 2010
Enlace Original

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