Un experiment aconsegueix una fita de la qual s’ha parlat en ciència-ficció des de 1931

La tecnologia s’aproxima cada vegada més als relats de ciència-ficció en els quals rajos de llum eleven persones i animals cap a naus espacials: en un entorn de laboratori similar al de Mart, s’ha aconseguit, per primera vegada, desplaçar objectes macroscòpics impulsats per làser.

Els raigs tractors són «misteriosos» perquè poden agafar i aixecar objectes. El concepte de raig tractor va ser creat originalment el 1931 per l’escriptor nord-americà de ciència-ficció Edward Elmer Smith, però ha arribat a fascinar tant els científics i enginyers que, al llarg dels anys, han arribat a èxits significatius que s’aproximen cada vegada més a la fantasia futurista.

El 2015, investigadors de la Universitat Pública de Navarra i de la Gran Bretanya van construir el primer raig tractor sònic del món, que podia aixecar i moure objectes mitjançant ones sonores de gran amplitud capaces de generar camps acústics amb forma de pinces, tornados o ampolles.

L’equip va demostrar que existeixen almenys tres formes diferents de camps de força acústics que treballen com raigs tractors. Però no són les úniques forces capaces de moure objectes a distància.

Tractors òptics

Tractors òpticsTambé s’han desenvolupat tractors òptics que utilitzen l’efecte mecànic de la llum. Proposats inicialment el 2011, es basen en el fet que la llum conté energia i impuls i que aquestes característiques es poden utilitzar per a diversos tipus de manipulació òptica, com la levitació i la rotació.

Les pinces òptiques, clar exemple d’aquests desenvolupaments, són instruments científics d’ús comú que utilitzen llum làser per subjectar i manipular a distància objectes diminuts, com àtoms i cèl·lules.

Durant els últims deu anys, però, els científics han estat treballant en una nova manipulació òptica: l’ús de llum làser per crear un raig tractor òptic capaç d’atraure objectes més grans. I aquests esforços han donat ara un resultat satisfactori.

Objectes macroscòpics

Objectes macroscòpicsUn equip de la Universitat de Ciència i Tecnologia de QingDao, a la Xina, ha desenvolupat per primera vegada una manera d’utilitzar la llum làser per atraure un objecte macroscòpic per la pressió de la llum.

En un article publicat a la revista Optics Express, els autors d’aquesta investigació expliquen que fins ara s’havia establert que la llum era massa petita per atraure un objecte macroscòpic. Afegeixen que, gràcies a un nou enfocament, la força d’atracció de la llum pot adquirir molta més amplitud i transcendir el món microscòpic.

De fet, explica Lei Wang, un dels investigadors en un comunicat, la força d’atracció de la llum aconseguida amb aquest nou enfocament és més de tres ordres de magnitud més gran que la pressió de la llum utilitzada per impulsar una vela solar, un mètode de propulsió per a sondes i naus espacials alternatiu o complementari a l’ús de motors que es val de l’impuls dels fotons per exercir una petita força d’empenta a través de l’espai.

Grafè i sílice

Grafè i síliceWang i els seus col·legues demostren que els objectes macroscòpics compostos a base de grafè i sílice poden utilitzar-se per a la tracció amb làser en un entorn de gas enrarit, un ambient que té una pressió similar a la que es troba a Mart, que és unes 100 vegades menys densa que la de la Terra.

Quan s’irradia amb un làser, l’estructura d’aquests objectes crea una diferència de temperatura inversa, i això significa que el costat oposat al làser s’escalfa més.

Després de ser irradiats per un raig làser, les molècules de gas presents en aquesta part posterior reben més energia i empenyen l’objecte cap a la font de llum.

Força làser

Força làserLa combinació d’aquest procés amb la baixa pressió d’aire d’un entorn de gas enrarit va permetre als investigadors obtenir una força de tracció làser prou forta per moure objectes macroscòpics.

El desplaçament observat en aquest experiment va ser d’uns 2,5 mil·límetres i la força de tracció del làser corresponent s’estima en 0,8 micronewtons. El newton és la força que, aplicada durant un segon a una massa d’un quilo, incrementa la seva velocitat en 1 metre per segon. Un micronewton equival a una milionèsima part d’un newton.

Pèndol de torsió

Pèndol de torsióL’experiment va girar entorn d’un pèndol de torsió, una forma de moviment oscil·latori utilitzat freqüentment, per exemple, en els components de la suspensió dels automòbils.

El pèndol de torsió utilitzat en aquest experiment estava fet amb l’estructura de grafè i sílice i va demostrar que el fenomen de l’atracció làser es podia observar a simple vista: els dos dispositius tenien uns cinc centímetres de llargada.

Cal assenyalar, no obstant, que l’objecte macroscòpic atret mitjançant la llum va ser dissenyat especialment per a l’experiment i que es va dur a terme en condicions de laboratori molt específiques: a pressió molt més baixa que la pressió atmosfèrica terrestre.

Els investigadors consideren que, encara que l’efectivitat d’aquest raig tractor estigués actualment compromesa a la Terra, igualment podria resultar útil en altres planetes.

Vàlid per a Mart

Vàlid per a Mart«Com que l’entorn de gas enrarit que utilitzem per demostrar la tècnica és similar al que s’ha trobat a Mart, pot tenir el potencial de manipular vehicles o aeronaus en aquell planeta», explica Wang.

Cal tenir en compte al respecte que la NASA està pensant d’utilitzar raigs tractors per recollir mostres marcianes i que aquesta tecnologia podria utilitzar-se també per recollir partícules de les cues dels cometes o dels núvols en l’atmosfera terrestre o d’altres planetes.

Aquests potencials desenvolupaments no tenen res a veure amb el que ens explica la ciència-ficció, que ens ha parlat de raigs tractors des de naus espacials per «segrestar» animals o persones del nostre planeta, però el concepte desenvolupat en aquesta investigació segurament tindrà implicacions importants per a l’exploració espacial.

Prova de concepte

Prova de concepteEls investigadors adverteixen, no obstant, que aquest treball és només una prova de concepte i que seria necessari millorar molts aspectes de la tècnica abans que sigui pràctica, ja sigui a la Terra o en altres planetes.

Per exemple, es necessita un model teòric sistemàtic per predir amb precisió la força de tracció del làser per a determinats paràmetres, inclosos la geometria de l’objecte, l’energia del làser i els mitjans circumdants.

Notícies relacionades

Un sistema de polsos làser funciona com un «escut» contra els llamps

La sequera a l’Amazones deixa veure rostres humans antics i desconeguts

També els agradaria millorar l’estratègia d’extracció del làser perquè pugui funcionar amb una gamma més àmplia de pressions d’aire.

«El nostre treball demostra que la manipulació flexible de la llum d’un objecte macroscòpic és factible quan les interaccions entre la llum, l’objecte i el mitjà es controlen acuradament», va dir Wang. «També mostra la complexitat de les interaccions làser-matèria i que molts fenòmens estan lluny de ser entesos tant a escala macro com micro», conclou.