Alcanzar otra estrella en un plazo práctico requerirá algo mucho más capaz que los cohetes químicos. Una de las ideas principales es una vela solar: una gran estructura reflectante que puede ser empujada por la luz. Si se apuntan láseres extremadamente potentes hacia dicha vela, podrían acelerarla a velocidades muy superiores a las que pueden lograr los sistemas de propulsión actuales.

Pero puede haber un problema inesperado cuando una vela de luz comienza a viajar a una fracción significativa de la velocidad de la luz. Según un nuevo artículo en arXiv de Chao Shen y Jiaze Li del Instituto de Tecnología de Harbin, la misma luz utilizada para propulsar la vela podría eventualmente producir un efecto de arrastre.

Los investigadores separan las fuerzas producidas por los fotones que golpean una vela solar en tres categorías. La contribución más fuerte proviene de la luz incidente (ese momento bruto de los fotones que golpean la vela). Le sigue la reflexión especular (momento impartido cuando los fotones rebotan perfectamente en la vela). La contribución más débil proviene de la dispersión difusa (momento de los fotones que son absorbidos por la vela y luego reemitidos en direcciones aleatorias).

A velocidades relativamente bajas, estos efectos contribuyen todos a empujar la vela hacia adelante. La situación se vuelve mucho más complicada una vez que la nave alcanza velocidades relativistas. A medida que la vela se aleja de la fuente láser, la luz que le llega sufre un corrimiento Doppler cada vez más fuerte. La frecuencia de la luz entrante disminuye, reduciendo la cantidad de empuje producido por los tres componentes. Como resultado, la aceleración continua se vuelve progresivamente menos eficiente. Cuanto más rápido viaja la vela, más difícil se vuelve para el láser seguir aumentando su velocidad.

La situación cambia aún más drásticamente cuando la vela de luz alcanza aproximadamente el 75% de la velocidad de la luz. A esa velocidad, la aberración de la luz relativista se vuelve importante. Desde el punto de vista de un observador estacionario en la Tierra, la luz dispersada difusamente comienza a dirigirse hacia adelante, en la dirección en que viaja la vela. Debido a que cada acción tiene una reacción igual y opuesta, esa radiación dirigida hacia adelante produce una fuerza en la dirección opuesta. Esto significa que la dispersión difusa (reconocidamente la más débil de las tres fuerzas) comienza a actuar como arrastre una vez que la vela supera aproximadamente el 75% de la velocidad de la luz. El láser todavía empuja la vela hacia adelante en general, por lo que la fuerza total no se vuelve negativa. Sin embargo, la eficiencia del sistema de propulsión disminuye sustancialmente.

Las velas solares reales enfrentarían aún más desafíos. El estudio se centra específicamente en la dinámica radiativa; no incluye efectos no radiativos como colisiones y arrastre del gas o polvo interestelar. También deja de lado los límites térmicos de los materiales reales de las velas. Una vela expuesta a un láser extremadamente potente podría sobrecalentarse o incluso derretirse. Por simplicidad, los investigadores modelan la vela de luz como un espejo idealizado. Las naves espaciales reales probablemente usarían materiales mucho más sofisticados.

Los ingenieros ya están investigando metamateriales avanzados y cristales fotónicos diseñados para longitudes de onda láser específicas. En principio, estos materiales podrían incluso aprovechar los efectos de aberración descritos en el estudio. Podrían ayudar a una vela de luz a corregir automáticamente su orientación y estabilizar su trayectoria para que permanezca centrada dentro del haz láser.

Una vela solar interestelar totalmente operativa todavía está lejos de convertirse en realidad. Viajar a través de distancias interestelares introduce muchas complicaciones adicionales, incluida la curvatura del espacio-tiempo, que el artículo también simplifica. Aun así, comprender estos efectos de alta velocidad es una parte importante para determinar cómo podrían funcionar eventualmente tales naves espaciales. Si algún día la humanidad envía una sonda a otra estrella, los ingenieros necesitarán una comprensión detallada de cada fuerza que podría afectar su viaje.