Velas solares escalables basadas en nanotecnología desarrolladas para la exploración espacial de próxima generación.

24 de marzo de 2025

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por la Universidad de Tecnología de Delft

Investigadores de la Universidad de Tecnología de Delft y la Universidad Brown han desarrollado velas ligeras basadas en nanotecnología escalables que podrían respaldar futuros avances en la exploración espacial y la física experimental. Su investigación, publicada en Nature Communications, introduce nuevos materiales y métodos de producción para crear los reflectores a gran escala más delgados jamás fabricados.

Las velas ligeras son estructuras ultradelgadas y reflectantes que utilizan la presión de radiación impulsada por láser para propulsar naves espaciales a altas velocidades. A diferencia de la nanotecnología convencional, que miniaturiza dispositivos en todas las dimensiones, las velas ligeras siguen un enfoque diferente. Tienen un grosor a escala nanométrica, aproximadamente 1/1000 del grosor de un cabello humano, pero pueden extenderse a láminas con grandes dimensiones.

Fabricar una vela ligera como la prevista para la Iniciativa Breakthrough Starshot tradicionalmente tomaría 15 años, principalmente porque está cubierta de miles de millones de agujeros a escala nanométrica. Utilizando técnicas avanzadas, el equipo, que incluye al autor principal y estudiante de doctorado Lucas Norder, ha reducido este proceso a un solo día.

'Esto no es solo otro paso para hacer las cosas más pequeñas; es una forma completamente nueva de pensar en la nanotecnología', explica el Dr. Richard Norte, profesor asociado en la Universidad de Tecnología de Delft. 'Estamos creando dispositivos de gran razón de aspecto que son más delgados que cualquier cosa previamente diseñada, pero abarcan dimensiones similares a estructuras masivas'. El prototipo actual mide 60 mm x 60 mm y tiene un grosor de 200 nanómetros, cubierto de miles de millones de agujeros a escala nanométrica. Esto representa un avance significativo en la fabricación a gran escala de velas ligeras.

'Otros avances recientes en el campo, como los de Caltech, han demostrado el control a escala nanométrica sobre las estructuras de las velas a escala micrométrica, mientras que nuestro enfoque escala estructuras de tamaño centimétrico manteniendo la fabricación de precisión a escala nanométrica.' Si se ampliara, la vela ligera creada por Norte y sus colegas se extendería sobre la longitud de siete campos de fútbol con un grosor de solo un milímetro.

'No es solo su alta razón de aspecto lo que hace especial a este material; es la combinación simultánea de gran escala y escala nanométrica en el mismo material lo que lo hace ligero y reflectante', dice Norte.

El equipo combinó técnicas de optimización de topología neural de última generación con métodos de fabricación de vanguardia para lograr esto. 'Hemos desarrollado un nuevo proceso de grabado basado en gas que nos permite eliminar delicadamente el material bajo las velas, dejando solo la vela', explica Norte. 'Si las velas se rompen, es más probable que suceda durante la fabricación. Una vez suspendidas las velas, son bastante robustas. Estas técnicas han sido desarrolladas de manera única en la Universidad de Tecnología de Delft'.

'Nuestro trabajo combina los últimos avances en optimización para explorar nuevas formas de encontrar diseños no intuitivos', dice el Dr. Miguel Bessa de la Universidad Brown. 'Al combinar redes neuronales con optimización de topología, hemos creado diseños que empujan los límites de lo posible tanto en nanofotónica como en fabricación a gran escala'.

Las velas ligeras propuestas aprovechan la presión de radiación impulsada por láser para acelerar a velocidades asombrosas, lo que permite un rápido viaje interplanetario. Por ejemplo, sondas propulsadas por velas ligeras desarrolladas podrían, en teoría, llegar a Marte en el tiempo que tarda en llegar el correo internacional.

A pesar de que estas vastas distancias siguen siendo un objetivo para el futuro, estudios recientes han demostrado que velas ligeras similares actualmente pueden ser propulsadas sobre distancias tan pequeñas como picómetros. Norte y su equipo están preparando experimentos para impulsar las nuevas velas de membrana a distancias medidas en centímetros en contra de la gravedad terrestre. 'Puede que no parezca mucho, pero esto sería 10 mil millones de veces más lejos que cualquier cosa impulsada con láseres hasta ahora'.

Más allá de la exploración espacial, estos materiales abren nuevas posibilidades para la física experimental. La capacidad de acelerar masas a altas velocidades ofrece oportunidades sin precedentes para estudiar las interacciones luz-materia y la física relativista a escalas macroscópicas.

'Esta investigación sitúa a Delft en la vanguardia de la ciencia de materiales a escala nanométrica', agrega Norte. 'Ahora que podemos fabricar estas velas tan grandes como los semiconductores pueden hacer obleas, estamos explorando lo que podemos hacer con las capacidades actuales de nanofabricación, láseres y diseño.'

En cierto modo, creo que puede ser tan emocionante como las misiones más allá del sistema solar. Lo que me resulta notable es que la creación de estos materiales ópticos delgados puede abrir una ventana a preguntas fundamentales como; ¿a qué velocidad podemos acelerar realmente un objeto? La nanotecnología detrás de esta pregunta seguramente abrirá nuevas vías de investigación interesantes. Actualmente, nuestros cohetes más rápidos tardarían alrededor de 10,000 años en alcanzar incluso la estrella más cercana fuera del sistema solar. La Iniciativa Breakthrough Starshot, que une a miles de investigadores, busca reducir ese viaje a solo 20 años. Al desarrollar naves espaciales ultraligeras propulsadas por láser del tamaño de microchips, el proyecto en visión la primera exploración interestelar de la humanidad más allá del sistema solar. Starshot fue lanzado por Yuri Milner y Stephen Hawking en 2016. Más información: Lucas Norder et al, Pentagonal photonic crystal mirrors: scalable lightsails with enhanced acceleration via neural topology optimization, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-57749-y Información del diario científico: Nature Communications Proporcionado por la Universidad de Tecnología de Delft