Existen rayos tractores microscópicos. ¿Se pueden ampliar? Créditos de la imagen: Diseñado por upklyak / Freepik

Los rayos tractores tienen un sentido intuitivo. La materia y la energía interactúan entre sí de innumerables formas en todo el Universo. El magnetismo y la gravedad son fuerzas naturales que pueden unir objetos, por lo que existe una especie de precedente.

Pero diseñar un rayo tractor real es algo diferente.

Un rayo tractor es un dispositivo que puede mover un objeto a distancia. La idea proviene de una historia de ciencia ficción de 1931 llamada SpaceHounds of IPC:

There is such a thing as a ray-screen, you kill-joy, and there are also lifting or tractor
rays—two things I’ve been trying to dope out and that you’ve been giving
me the Bronx cheer on. The Titanians have had a tractor ray for ages—he
sent me complete dope on it—and the Jovians ’ve got ’em both. We’ll have
’em in three days, and it ought to be fairly simple to dope out the opposite of
a tractor, too—a pusher or pressor beam.

de Spacehounds of IPC por Edward Elmer ‘Doc’ Smith

Si la ciencia ficción tuviera algo que decir al respecto, los rayos tractores ya serían una cosa común, y podríamos agradecer a Star Trek y Star Wars por su proliferación.

Pero los rayos tractores ya existen, aunque su alcance es solo microscópico.

Esta es una pinza óptica llamada NanoTracker 2 de JPK Instruments. Créditos de la imagen: JPK Instruments, AG, Berlín, Alemania.

Los rayos tractores microscópicos se emplean en dispositivos llamados pinzas ópticas. Las pinzas ópticas usan láseres para mover objetos microscópicos como átomos y nanopartículas. Se utilizan en biología, nanotecnología y en medicina.

Estos rayos tractores funcionan en objetos microscópicos, pero no son lo suficientemente fuertes como para atraer objetos macroscópicos más grandes.

Ahora, un equipo de investigadores ha demostrado con éxito un rayo tractor macroscópico. Publicaron el artículo que explica su trabajo en la revista Optics Express. Su título es “Macroscopic laser pulling based on the Knudsen force in rarefied gas”, y el autor principal es Lei Wang de la Universidad de Ciencia y Tecnología de QingDao en China.

“En estudios anteriores, la fuerza de atracción de la luz era demasiado pequeña para atraer un objeto macroscópico”, dijo Wang. “Con nuestro nuevo enfoque, la fuerza de atracción de la luz tiene una amplitud mucho mayor. De hecho, es más de tres órdenes de magnitud mayor que la presión de la luz utilizada para impulsar una vela solar, que utiliza el impulso de los fotones para ejercer una pequeña fuerza de empuje”.

Este rayo tractor macroscópico solo funciona en condiciones particulares de laboratorio, por lo que es una demostración, no un desarrollo práctico. Al menos no todavía.

En primer lugar, funciona en cosas especialmente diseñadas: objetos compuestos macroscópicos de grafeno-SiO2 que los investigadores construyeron para los experimentos. En segundo lugar, funciona en un entorno gaseoso enrarecido, que tiene una presión mucho más baja que la atmósfera terrestre. Si bien eso limita su efectividad aquí en la Tierra, no todos los mundos tienen tanta presión atmosférica como nuestro planeta.

“Nuestra técnica proporciona un enfoque de tracción de larga distancia y sin contacto, que puede ser útil para varios experimentos científicos”, dijo Wang. “El entorno de gas enrarecido que usamos para demostrar la técnica es similar al que se encuentra en Marte. Por lo tanto, podría tener el potencial de algún día manipular vehículos o aviones en Marte”.

Su dispositivo funciona según el principio de calentamiento de gas. Un láser calienta los objetos compuestos, pero un lado está más caliente que el otro. Las moléculas de gas en la parte posterior reciben más energía, lo que atrae al objeto. Combinado con la presión más baja en el entorno de gas enrarecido, el objeto se mueve.

This figure from the study illustrates how the macroscopic tractor beam works. A shows a laser striking a piece of CGL-SiO2 sample (Compact Grade Laminate) material and heating it. This pushes the material away from the light. B shows the same, but this time the CGL has a coating of a transparent material with low thermal conductance. (yellow.) In that case, a pulling force is created. Wang et al. 2023.
Esta figura del estudio ilustra cómo funciona el rayo tractor macroscópico. A muestra un láser golpeando una pieza de material de muestra CGL-SiO2 (laminado de grado compacto) y calentándolo. Esto empuja el material lejos de la luz. B muestra lo mismo, pero esta vez el CGL tiene un revestimiento de un material transparente con baja conductancia térmica. (amarillo). En ese caso, se crea una fuerza de tracción. Créditos: Wang et al. 2023.

Los investigadores construyeron un dispositivo de péndulo torsional o giratorio hecho de su estructura compuesta de grafeno-SiO2 para demostrar el fenómeno de tracción láser. Esa demostración lo hizo visible a simple vista. Usaron otro dispositivo para medir el efecto.

Usando un dispositivo de péndulo de torsión, o giratorio, hecho de su estructura compuesta de grafeno-SiO2, los investigadores demostraron el fenómeno de tracción del láser de una manera que era visible a simple vista. Luego utilizaron un péndulo de gravedad tradicional para medir cuantitativamente la fuerza de tracción del láser. Ambos dispositivos tenían unos cinco centímetros de largo.

“Descubrimos que la fuerza de tracción era más de tres órdenes de magnitud mayor que la presión ligera”, dijo Wang. “Además, la tracción del láser es repetible y la fuerza se puede ajustar cambiando la potencia del láser”.

Otros investigadores han abordado los rayos tractores en los últimos años con resultados mixtos. La NASA estaba interesada en seguir la idea de usar rayos tractores para recolectar muestras con el rover de superficie MSL Curiosity. Uno de los instrumentos de Curiosity es la ChemCam. Incluye un láser que vaporiza roca o regolito y luego un microgenerador de imágenes para medir sus componentes espectroscópicamente. Pero la NASA se preguntó si un rayo tractor podría atraer partículas diminutas de la muestra vaporizada al rover para un estudio más completo.

This artist's illustration shows MSL Curiosity firing its ChemCam laser at a rocky outcropping. If MSL had a tractor beam, it could draw microscopic particles into its onboard lab for deeper study. Image Credit: NASA.
La ilustración de este artista muestra al MSL Curiosity disparando su láser ChemCam a un afloramiento rocoso. Si MSL tuviera un rayo tractor, podría atraer partículas microscópicas a su laboratorio a bordo para un estudio más profundo. Créditos de la imagen: NASA.

Una presentación del NIAC de la NASA de 2010 decía: “Si la tecnología Tractor Beam se incluyera en una “ChemCam2” para atraer partículas de polvo y plasma, los rayos tractores podrían agregar un conjunto de capacidades científicas adicionales:

  • espectroscopia de iones desorción láser
  • espectrometría de masas
  • espectroscopia RAMAN
  • Fluorescencia de rayos X”

La misma presentación dijo que los rayos tractores podrían usarse para recolectar partículas de las colas de los cometas, columnas de hielo en Encelado e incluso nubes en la atmósfera de la Tierra u otras atmósferas.

Eso nunca se materializó, pero ilustra cuán convincente es la idea.

Esta nueva investigación produjo resultados interesantes, aunque no se acerca a una implementación práctica real. Se necesita mucho trabajo e ingeniería antes de que se acerque a la practicidad. Por un lado, debe haber una base teórica bien entendida que describa cómo funciona el efecto en objetos con diferentes tamaños y formas y con láseres de diferentes potencias en diferentes atmósferas.

Los investigadores saben esto, por supuesto, pero señalan que sigue siendo una demostración efectiva de viabilidad.

“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 en escalas macro como micro”.

La parte crítica es que este estudio mueve los rayos tractores de lo microscópico a lo macroscópico. Ese es un umbral significativo que es difícil de cruzar. “Este trabajo amplía el alcance de la extracción óptica de la microescala a la macroescala, lo que tiene un gran potencial en las manipulaciones ópticas a macroescala”, escriben los autores en su conclusión.

Es muy posible que las naves espaciales utilicen rayos tractores algún día, pero es poco probable que se parezcan en algo a los de la ciencia ficción. Star Wars, Star Trek y Spacehounds of IPC cuentan con rayos tractores en combate y conflictos.

Pero en la realidad, podrían convertirse en valiosas herramientas científicas.

Mas información en Inglés:

Artículo con fines divulgativos basado en el artículo original en Inglés.
Créditos: Evan Gough, Universe Today
Salvo indicación contraria este trabajo está licenciado por el autor bajo la licencia International Creative Commons Attribution 4.0.

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