NeoFronteras

¿Propulsión espacial con grafeno?

Área: Espacio,Tecnología — domingo, 31 de mayo de 2015

Proponen el uso de espuma de grafeno como sistema de propulsión espacial.

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El grafeno es una esas cosas a la búsqueda de problemas a los que ofrecer soluciones.
Este material, que fue descubierto jugando con lápices y cinta adhesiva, y que era una curiosidad de laboratorio, ahora casi no hay semana en la que no aparezca en alguna noticia. Parece que fue ayer, cuando hace casi 10 años, publicábamos por aquí una noticia sobre el grafeno cuando este material no era tan famoso.
Desde entonces se han encontrado unas pocas aplicaciones de este material (recientemente una bombilla), pero las grandes promesas se hacen esperar. Todavía no tenemos en el mercado baterías o supercondensadores de grafeno y las aplicaciones electrónicas siguen basándose en el silicio. A la ley de Moore sólo le quedan ya unos pocos años (cuando se alcancen los 5nm), pero será difícil sustituir el silicio por el grafeno, pues este no tiene zanja de energía y su manufactura es completamente distinta. Ya se piensa en ese futuro cercano y en abandonar la arquitectura Von Neumann para pasar a una más neurológica que use resistencias, solenoides y condensadores con memoria basados en silicio y así proseguir con las mismas técnicas de fabricación, pero siguiendo con el aumento de las prestaciones.
Incluso en este aspecto electrónico al grafeno ya le han salido otros competidores 2D, como el estaneno, el fosforeno, el ferrofeno, el germaneno, el siliceno, MoS2, etc.

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El grafeno ha sido configurado en formas distintas a la habitual. Una de ellas es la esponja de grafeno o aerogel de grafeno (siete veces más ligero que el aire en el vacío). Un material compuesto por copos de grafeno, altamente poroso y muy ligero. En el MIT ya lograron emplearlo para evaporar agua con un rendimiento muy alto, algo que podría ser muy útil en países en vías de desarrollo.

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Ahora, un grupo de investigadores chinos dice que se podría usar espuma de grafeno en un sistema de propulsión espacial. Estaban aplicando luz láser sobre este material para cortarlo cuando vieron que aparecía un empuje. Observaron que la luz del láser empujaba los fragmentos de este material.
Así que pusieron trozos de este material en un tubo vertical y aplicaron el vacío. Por la parte inferior del tubo aplicaron un láser hacia arriba y vieron que el trozo de esponja de grafeno se levantaba en contra de la gravedad. El efecto incluso se producía cuando se aplicaba luz solar concentrada.
La explicación más sencilla sería pensar que la esponja de grafeno actuaba como una vela solar y era empujada por la presión de la luz. Los fotones no tienen masa, pero llevan momento que se puede transferir al objeto con el que choca. Se ha propuesto este sistema de vela solar (o láser) como método para enviar una misión interestelar. Pero en este caso de la esponja de grafeno no se puede explicar mediante este mecanismo por ser varios órdenes de magnitud más fuerte.
Otra explicación es que se produciría una ablación de la superficie de la esponja mediante la acción del láser, se liberaría una especie de vapor de carbono que por acción y reacción empujaría la esponja. Al parecer no han encontrado que se dé este efecto, entre otras cosas porque sería necesario el uso de láseres pulsados del orden del gigavatio para conseguir el efecto y los 800 grados de temperatura mínima. Además, no se ha visto que se produzca dicha ablación.
Estos investigadores han realizado otros experimentos gracias a los cuales dicen saber qué sucede. Según ellos, la luz hace que se desprendan electrones energéticos que viajan en dirección opuesta a la luz incidente y esto es lo que hace que, por acción y reacción, se mueva la esponja de grafeno.
La ausencia de zanja de energía en el grafeno y la estructura de su banda electrónica permite al grafeno absorber luz de todas las longitudes de onda y alcanzar fácilmente un estado de inversión de población de los electrones excitados. La expulsión de electrones permitida por el mecanismo de Auger sería la que impulsaría la esponja de grafeno. Se cree que este mecanismo es el usado predominantemente en este material para la recombinación en la relajación de electrones calientes excitados por la luz.
La energía de la luz es transferida en forma de energía cinética a los electrones expulsados, por lo que el mecanismo no se basa en una transferencia de momento, algo que sí sucede en las velas solares.
El problema de la vela solar o vela láser es que la energía de los fotones de luz se desperdiciada, sólo se aprovecha su momento (o cantidad de movimiento). La ventaja viene de no llevar combustible a bordo, lo que permitiría a una vela láser alcanzar grandes velocidades al cabo de muchos años aplicando luz láser, incluso se podrían alcanzar velocidades relativistas. Pero se requieren superficies enormes. Se habla de velas del tamaño del estado de Texas.
Un sistema de esponja de grafeno basado en el mecanismo del que acabamos de hablar alimentado con 50 metros cuadrados de paneles solares y de 500 kg de peso podría disfrutar de una supuesta aceleración de 0,09 m/s2, lo que podría ser útil en satélites artificiales. Esto es algo mucho más efectivo que la propulsión química siempre y cuando ya nos encontremos fuera de la Tierra, en donde una aceleración pequeña pero mantenida durante un gran tiempo produce grandes velocidades.
¿Veremos en un futuro y tendremos entonces las estrellas al alcance de la mano? Pues no. Incluso si se demuestra que todo el fenómeno es así tal cual (algo que hay que comprobar), las posibilidades de usarlo para viajar a las estrellas o a algún sitio más cercano son más bien reducidas o nulas.
Un material tiene los electrones que contiene y ninguno más. Puede que en el laboratorio se puedan transferir electrones a la esponja de grafeno desde el exterior y así neutralizar el sistema, pero esto no es posible en el vacío espacial. Una nave impulsada de este modo iría adquiriendo carga positiva con el tiempo según expulsa electrones, lo que sería en sí ya un problema. Al final ya no se podrían expulsar más electrones y el empuje sería cero. Las puertas a las estrellas se cierran una vez más.
La conservación del momento y de la energía son límites infranqueables que nos limitan a la hora de realizar el viaje interestelar. En este caso hay que añadir además la conservación de la carga a la lista.
Este sistema recuerda a un sistema de propulsión nuclear elegante basado también en una vela, pero nuclear. Esta vela sería muy fina y de grandes dimensiones. Por una cara habría un absorbente de partículas alfa, por el otro lado una capa muy fina de un isótopo que emita partículas alfa (¿americio?). Estas partículas se emitirían de forma neta sólo por un lado de la vela e irían impulsando dicha vela en dirección contraria. Cuanta más energía llevasen las partículas alfa más empuje se conseguiría, pero más pesada sería la vela al necesitar un absorbente más efectivo. La aceleración en este caso también sería pequeña, pero prolongada en el tiempo. El empuje no se mantendría por siempre, sino que sería exponencialmente decreciente hasta que se consumiera todo el isótopo.
Quizás el grafeno se emplee finalmente para llevarnos a las estrellas, pero usando una láminas de grafeno como material estructural en una vela solar o láser. La vela solar tiene la ventaja de poderse enviar plegada hasta las proximidades del Sol y allí desplegarla. Esto permitiría explorar el Sistema Solar de forma rápida e incluso abandonarlo lentamente.
Pero las promesas de las velas solares contrasta con las ganas de la NASA en usarlas, que son muy escasas. El sueño de la vela solar tiene ahora que ser mantenido por instituciones como la Sociedad Planetaria que, gracias a la aportación económica de la gente corriente, ha enviado recientemente uno de estos ingenios a la órbita terrestre. Lamentablemente, un error en el sistema operativo Linux de los cubesat empleados impide controlar de momento la vela debido a una memoria completamente llena. Ante la imposibilidad de que alguien apriete el botón de reinicio, los técnicos implicados están esperando a que un rayo cósmico impacte contra la electrónica, se realice el reinicio y se pueda enviar el parche que solucione el problema. Si no es así el sueño de Sagan tendrá que esperar todavía más.

Copyleft: atribuir con enlace a http://neofronteras.com/?p=4681

Fuentes y referencias:
Artículo original.
Dibujo: Tengfei Zhang, Huicong Chang y colaboradores.
Fotos: extremetech.com

Salvo que se exprese lo contrario esta obra está bajo una licencia Creative Commons.
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2 Comentarios

  1. smartton:

    Me temo que la cosa es más simple y puede que algo menos estimulante. Hubiese bastado con que los autores del trabajo tuvieran conocimiento del “Radiómetro de Crooke”, que de hecho tuvo importancia clave en la teoría de gases hace ya 2 siglos. El lector recordará una especie de bombillas encerrando una especie de molinillo que se movía con luz solar (o simplemente luz). Se vendían como una suerte de juguete científico. Las aspas del molinillo estaban pintadas de negro por una cara. Para hacerlo funcionar el molinillo debe estar en “vacío”. No un vacío absoluto pero si muy alto. Mirando en el articulo de los autores se ve que el vacío está justo en el rango donde el radiómetro de Crooke tiene sentido. Simplificando mucho, la superficie se calienta y las moléculas de gas ganan energía al chocar contra la superficie. Esto genera un intercambio de momento que empuja al substrato de la superficie. La molécula ha de ser expelida una distancia considerable sin chocar con otra molécula de gas (cms) y esto ocurre a esos niveles de vacío.

  2. tomás:

    El comentario de “smartton” me trae a la memoria lejana -preadolescente- cuando se nos quería enseñar la naturaleza de la luz; concretamente que aparte de onda, también era corpuscular. En aquel caso las paletas eran, por un lado espejos y por otro cubiertas por una ligerísima capa de cera. Se nos dijo que las “bolitas” de luz se incrustaban en la cera y que se reflejaban en la cara especular, haciendo que las aspas del molinillo girasen. También se nos habló del vacío para que no hubiera rozamiento, pero sin concretar. Lo que no puedo recordar es si, realmente, las aspas giraron en el sentido que debieran según el argumentario. También creo recordar que el profesor le llamó heliómetro, con evidente, aunque disculpable error porque, medir, algo medía, y la luz era solar, aunque hubiera funcionado con la de una bombilla.
    Recuerdos…

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