Los ingenieros de la NASA superan los límites de la física para enfocar la luz

Un par de pequeños satélites en órbita de precisión intentarán capturar las primeras vistas de características a pequeña escala cerca de la superficie del sol que los científicos creen que impulsan el calentamiento y la aceleración del viento solar.

El heliofísico Dr. Doug Rabin del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, dijo que los tamices de fotones, una tecnología que puede enfocar la luz ultravioleta extrema, deberían poder resolver características de 10 a 50 veces más pequeñas que las que se pueden ver hoy con el Sistema de Dinámica Solar. Generador de imágenes EUV del Observatorio.

Sin embargo, para que sean más efectivos, deben ser anchos, súper delgados y tener agujeros precisos para refractar la luz. Trabajando en el Laboratorio de Desarrollo de Detectores de Goddard, el ingeniero de Goddard Kevin Denis desarrolló nuevas formas de crear membranas más anchas y más delgadas a partir de obleas de silicio y niobio.

Cada avance hasta ahora ha requerido pasos adicionales para proteger los tamices resultantes, como dejar un panal de material más grueso para sostener la membrana y evitar que se rompa. «Es un verdadero desafío físico construir tamices con tanta precisión», dijo el Dr. Doug Rabin, heliofísico de Goddard. «Sus características más pequeñas son de 2 micrones de ancho con un espacio de 2 micrones entre las perforaciones, que es aproximadamente el tamaño de la mayoría de las bacterias».

Grabados desde el centro con anillos de agujeros cada vez más pequeños, los tamices están construidos para refractar la luz de manera similar a las lentes de Fresnel utilizadas en los faros. La luz ultravioleta extrema que pasa a través de este tamiz se desvía gradualmente hacia una cámara distante. Las membranas delgadas son importantes para la ciencia solar porque estos tamices transmiten más luz que los materiales más gruesos, dijo Denis.

Él y su colega ingeniero Kelly Johnson produjeron con éxito un tamiz de silicio de 8 cm (3 pulgadas) de diámetro y apenas 100 nanómetros de espesor. Ahora están experimentando con membranas de niobio, que pueden mejorar aún más la eficiencia de captación de luz porque transmiten hasta siete veces más luz que el silicio. Han grabado con éxito un tamiz de niobio de 13 cm (5 pulgadas) de diámetro y sólo 200 nanómetros de espesor.

Denis se inspira en trabajar estrechamente con científicos para superar las barreras que impiden avanzar en su campo, dijo. «Han hecho un gran trabajo utilizando los tamices en aplicaciones científicas a corto plazo mientras impulsamos la tecnología para misiones más grandes y capaces».

Los tamices de fotones cortados de materiales de hasta 25 micrones de espesor ya son parte de la demostración de tecnología VISORS (Virtual Super Optics Reconfigurable Swarm) misión CubeSat, cuyo lanzamiento se espera para 2024. VISORS consiste en un satélite compacto del tamaño de un maletín equipado con tamices para refracta la luz hacia un receptor en un segundo satélite a 130 pies (40 m) de distancia.

Mantener la órbita de alta precisión de estas naves espaciales y desarrollar un parasol son el objetivo de otros proyectos de Goddard IRAD. El éxito de VISOR podría allanar el camino para una futura misión más grande, con una separación de las naves espaciales medida en kilómetros, empleando la mayor resolución de los tamices más delgados de Denis una vez que estén listos para el vuelo espacial. Se utilizará otro tamiz de fotones más grande para calibrar el espectrómetro MUSE (Explorador solar de rendijas múltiples), cuyo lanzamiento se espera para 2027.

El trabajo de Denis fue destacado en Physics Today y ya ha dado lugar a dos patentes y una tercera presentada. El tecnólogo jefe de Goddard, Peter Hughes, otorgó a Denis el premio IRAD al Innovador del año del año fiscal 2023 durante la sesión anual de carteles del programa celebrada el 15 de noviembre.

Mientras continúa superando los límites de la ingeniería, Denis dijo que espera con ansias los lanzamientos de MUSE y VISORES. «Es una gran motivación ver cómo se van a utilizar para nueva ciencia incluso mientras seguimos mejorando».