Crean vehículos con levitación lumínica para explorar la frontera del espacio
AERONÁUTICA / ASTRONÁUTICA.
A una altitud de entre 50 y 100 kilómetros sobre la superficie terrestre, se encuentra una franja poco estudiada de la atmósfera, llamada mesosfera.
Está demasiado alta para aviones y globos meteorológicos, y demasiado baja para satélites. Debido a ello, resulta casi imposible monitorizarla debidamente con la tecnología actual. Sin embargo, conocer lo bastante bien esta capa de la atmósfera permitiría mejorar la precisión de los pronósticos meteorológicos y de los modelos climáticos.
Representación del flujo de aire alrededor de un dispositivo que gracias al efecto de fotoforesis vuela en la mesosfera. Imagen: Ben Schafer / Jong-hyoung Kim
Un equipo encabezado por Benjamin C. Schafer, de la Escuela John A. Paulson de Ingeniería y Ciencias Aplicadas (SEAS) de la Universidad Harvard en Estados Unidos, ha ideado una novedosa forma de alcanzar esta zona inexplorada que en muchos aspectos ejerce de frontera del espacio: estructuras voladoras tremendamente ligeras que pueden flotar sin necesidad de motor, valiéndose de la luz solar.
La clave es un exótico fenómeno físico llamado fotoforesis. Schafer y sus colegas lo han estudiado y han probado a aprovecharlo para hacer levitar objetos muy ligeros al iluminarlos.
El mecanismo concreto en el que el equipo ha profundizado, opera cuando las moléculas de gas rebotan con mayor fuerza en el lado cálido de un objeto que en el lado frío, lo cual crea un impulso y una sustentación continuos. Este efecto solo ocurre en un ambiente con muy baja presión atmosférica, que es precisamente el que hay en la mesosfera.
Los investigadores construyeron membranas ultradelgadas, con diámetros del orden del centímetro, hechas de alúmina cerámica, con una capa de cromo en la parte inferior para absorber la luz solar. Cuando la luz incide en esta estructura, la diferencia de calor entre las superficies superior e inferior inicia una fuerza de sustentación fotoforética que supera a la fuerza ejercida por el peso de la estructura.
Este fenómeno suele ser tan débil en relación con el tamaño y el peso del objeto sobre el que actúa que en nuestro entorno cotidiano no lo notamos. Sin embargo, Schafer y sus colegas han conseguido que sus estructuras sean tan ligeras que, en un ambiente adecuado la fuerza fotoforética es mayor que la ejercida por su peso, por lo que el resultado neto es que las estructuras vuelan sin una fuente de propulsión propia.
Para hacer realidad el concepto han sido decisivos los recientes avances en la tecnología de nanofabricación, que permiten a los investigadores fabricar con un nivel de detalle nanométrico dispositivos de muy baja masa. El nuevo proceso de nanofabricación puede adaptarse a una ampliación de escala de hasta decenas de centímetros.
Usando estas nuevas técnicas, el equipo consiguió fabricar estructuras operativas del orden del centímetro.
En el laboratorio de Joost Vlassak de la SEAS, se llevaron a cabo el diseño y la fabricación de los dispositivos, bajo la dirección de Jong-hyoung Kim, que ahora está en la Universidad Nacional Pukyong en Corea del Sur.
Se midieron directamente las fuerzas fotoforéticas que actúan sobre los dispositivos dentro de una cámara de baja presión. Los investigadores compararon estos resultados con las predicciones sobre el comportamiento de dichas estructuras en la atmósfera superior y se demostró la viabilidad de que puedan llegar a volar ahí.
En un experimento decisivo, se logró hacer levitar una estructura que mide 1 centímetro de lado a lado. La levitación se consiguió al exponer la estructura a una luz de tan solo el 55% de la intensidad de la luz solar, mientras la presión atmosférica dentro de la cámara de pruebas era de 26,7 pascales. Esta presión es similar a la existente a 60 kilómetros sobre la superficie terrestre.
“Esta es la primera vez que se demuestra que es viable construir estructuras fotoforéticas de mayor tamaño y hacerlas volar en la atmósfera”, destaca David Keith, del equipo de investigación y desarrollo, que actualmente es profesor en la Universidad de Chicago, Estados Unidos.
El equipo prevé diversas aplicaciones para su nuevo dispositivo, especialmente en climatología y meteorología. Si se equipa con sensores ligeros, este dispositivo podría recopilar datos clave como la velocidad del viento, la presión y la temperatura de una región de la atmósfera que durante mucho tiempo ha permanecido como un punto ciego. Estos datos son cruciales para calibrar los modelos climáticos que constituyen la base de los pronósticos meteorológicos y las predicciones sobre la evolución del cambio climático global.
Otras posibles aplicaciones incluyen las telecomunicaciones para defensa y respuesta a emergencias. El uso de una flota de estos dispositivos podría permitir un conjunto flotante de antenas con capacidades de transmisión de datos comparables a las de satélites de órbita baja como los de la red Starlink, pero con menor latencia debido a su mayor proximidad al suelo.
Dado que la atmósfera superior de la Tierra comparte características clave con la tenue atmósfera de Marte a baja altitud, la nueva clase de dispositivos volantes podría conducir a nuevos modos de explorar el Planeta Rojo sobrevolando su superficie desde una distancia lo bastante corta y sin requerir una fuente directa de energía para propulsión.
El equipo de investigación y desarrollo trabaja actualmente en hallar el mejor modo para incorporar en tan singulares aeronaves una carga útil, como por ejemplo instrumental científico y un sistema de comunicación que las permita transmitir datos en tiempo real durante su vuelo.
Schafer y sus colegas exponen los detalles técnicos de su logro en la revista académica Nature, bajo el título “Photophoretic flight of perforated structures in near-space conditions”.
Por: Redacción.
Sitio Fuente: NCYT de Amazings