Este texto es una colaboración del Cuaderno de Cultura Científica con Next

La lista de usos potenciales del grafeno sigue aumentando. Según investigadores de la Universidad Nankai (China) esta capa monoatómica de carbono, adoptando en esta ocasión la forma de “esponja”, puede convertir la luz en movimiento. Hay quien afirma que este fenómeno podría constituir la forma de propulsión de una nave espacial.

Muchos de los descubrimientos que tienen que ver con el grafeno parece que se producen por casualidad, como el del propio grafeno que se produjo cuando unos investigadores jugaban con lápices y cinta adhesiva. En esta ocasión los investigadores de la Universidad Nankai estaban investigando si conformaciones complejas de grafeno pueden retener algunas de las características de la lámina plana: la fortaleza y una muy buena conducción de la electricidad y del calor, entre otras.

Una de estas conformaciones es la llamada esponja de grafeno, un material blanducho hecho fusionando láminas arrugadas de óxido de grafeno. Mientras cortaban la esponja de grafeno con un láser se dieron cuenta de que la luz empujaba el material hacia delante. Este fenómeno es realmente interesante porque una cosa es que un láser mueva moléculas individuales (algo conocido y de uso habitual en los laboratorios de investigación) y otra muy distinta que mueva una estructura ¡de varios centímetros de diámetro!

El equipo de investigadores se dispuso a investigar el fenómeno. Para ello colocó en un tubo vertical en el que se había hecho el vacío esponja de grafeno y la iluminó desde abajo con láseres de diferentes longitudes de onda e intensidades. Consiguieron que se subiese hasta 40 cm. Entonces sustituyeron el láser por luz solar que enfocaron sobre la esponja con una lente, ¡y también funcionaba!.

Pero, ¿cómo se mueve? Una explicación es que el material actúe como una vela solar. Los fotones ejercen una presión lumínica, algo que ya adelantó teóricamente James Clerk Maxwell en 1871; esta presión puede transferir momento lineal a un objeto y hacer que se mueva. En el vacío del espacio este efecto puede acumularse aportando suficiente empuje como para propulsar una nave espacial. Pero el efecto observado era muy grande como para provenir de la presión de la radiación solamente.

Otro efecto que podría contribuir es que el láser sublime (convierta en vapor) parte del grafeno y haría que expulsase átomos de carbono que actuarían como los gases de escape de un motor a reacción. Aún otra posibilidad es que el conjunto del sistema se convierta en una máquina térmica y que funcione al estilo del radiómetro de Crookes.

Sin embargo los autores se inclinan a pensar que lo que ocurre es que el grafeno absorbe la energía del láser y acumula una carga de electrones. Cuando la carga se hace tan grande que se inestabiliza, los nuevos electrones generados son liberados fuera de la estructura, empujando a la esponja en la dirección contraria.

Esta explicación tiene varios problemas. Uno de ellos es por qué los electrones son liberados en una dirección determinada y no al azar. En cualquier caso los investigadores comprobaron que de una esponja de grafeno en la que incide un láser fluye una corriente eléctrica, lo que indicaría que la idea general parece ser correcta.

Ahora bien, ¿realmente puede construirse una vela solar con este sistema? De momento si pierde electrones, eso significa que la esponja de grafeno se está cargando positivamente. Llegará un momento en que la carga positiva sea tan grande que pondría en riesgo el conjunto de la nave espacial. Por otra parte, el número de electrones es enorme, pero no infinito; ¿qué pasa cuando el sistema pierde una fracción significativa de los mismos?¿Seguiría funcionando? ¿Podría la enorme carga positiva impedir que se perdiesen más electrones, parando así la propulsión?¿Limitaría esto el radio en el que podría emplearse como sistema de propulsión? Habrá que investigar más pero, de momento, el fenómeno parece muy interesante en sí mismo, sin necesidad de pensar de momento en aplicaciones alambicadas.

Referencia:

Tengfei Zhang et al (2015) Macroscopic and direct light propulsion of bulk graphene material arXiv:1505.04254 [physics.optics]

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance