Sustentación fotónica

¿Qué hace un avión para poder despegar? Adquiere velocidad. Esa velocidad puede ser relativa al suelo y relativa al aire. La importante es esta última, por eso los aviones despegan cara al viento. Cuando el avión alcanza suficiente velocidad con respecto al aire la forma de sus alas hace que experimente una fuerza perpendicular al movimiento que es la que hace que “suba”. Esta fuerza se llama sustentación. Un equipo de investigadores encabezado por Grover Swartzlander del Instituto de Tecnología de Rochester (EE.UU.) ha probado experimentalmente que un haz de luz puede generar sustentación. Este efecto podría usarse algún día para maniobrar objetos en el vacío del espacio exterior usando la radiación emitida por una estrella. Los resultados se publican en Nature Photonics.

Se sabe desde hace mucho tiempo que la luz puede empujar un objeto. Esa es la idea que está detrás de las velas solares, que hacen uso de la radiación como medio de propulsión en el espacio. Fueron James Clerk Maxwell y Adolfo Bartoli los físicos que a finales del siglo XIX indicaron que los fotones podían aportar momento a un objeto cuando se reflejan en o pasan a través de él. Esta es la razón, por ejemplo, por la que las colas de los cometas siempre apuntan en sentido contrario a la posición del Sol, ya que los rayos del Sol las empujan (y las crean).

Los científicos se plantearon la cuestión de si la luz generaba sustentación en primer lugar de forma teórica. La modelización reveló que una desviación asimétrica de la luz crearía una fuerza de sustentación increíblemente estable. De aquí pasaron a los experimentos.

Los investigadores crearon pequeñas piezas plásticas con la forma del ala de un avión poco más o menos: planas por un lado y redondeadas por el otro. Estas “fotoalas”, con un tamaño del orden de micras, se sumergieron en agua. Al ser iluminadas desde el fondo con una luz láser infrarroja de 130 mW, empezaron a moverse hacia arriba, como era de esperar. Pero las piezas también comenzaron a moverse lateralmente, en una dirección perpendicular a la de la luz que recibían. Repetido el experimento con pequeñas esferas no aparecía el efecto sustentación.

La sustentación fotónica (u óptica) difiere de la aerodinámica. Un avión vuela porque el aire que fluye más lentamente bajo sus alas ejerce más presión que el aire que se mueve más rápido por la parte de arriba. Pero en una fotoala la sustentación se crea dentro del objeto conforme la luz lo atraviesa. La forma de una fotoala transparente hace que la luz se refracte de forma diferente dependiendo del lugar de donde entra en la pieza, lo que hace que el momento del haz se “dobla” creando la sustentación.

Los ángulos de sustentación de estas fotoalas son de alrededor de 60 grados, lo que es muy llamativo. Los ángulos conocidos para la aerodinámica son más graduales, si no lo fuesen, al despegar un avión el estómago se nos iría a los pies y otras cosas a la garganta.

Una aplicación del fotoala sería controlar la dirección de vehículos espaciales que dependan de la presión de radiación para el empuje, como la nave experimental de vela solar LightSail-1, que la Planetary Society planea lanzar dentro de poco. El concepto de fotoala también podría usarse para proporcionar energía a micromáquinas o transportar partículas en líquidos. Existen otras aplicaciones imaginables que pertenecen más al campo de la ciencia ficción. Antes de especular más esperaremos a que se repitan los experimentos en aire.

En estos vídeos de los experimentos se puede ver a la partícula moviéndose hacia la cámara, que está tomando la imagen en vertical (el fondo de la imagen es la fuente de luz).

Video 1

Vídeo 2

Esta entrada es la participación de Experientia docet en la XIV Edición del Carnaval de la Física que este mes alberga Las historias eulerianas.

Referencia:

Swartzlander, G., Peterson, T., Artusio-Glimpse, A., & Raisanen, A. (2010). Stable optical lift Nature Photonics DOI: 10.1038/NPHOTON.2010.266