La espada de luz, ¿puede hacerse?

Muy curioso e interesante artículo de Astroseti donde explican si puede hacerse la famosa espada láser de Star Wars:

La espada de luz ¿puede hacerse?

Esta historia encantará a los amantes de Star Wars y los estudiosos de la física. Instructiva y entretenida a partes iguales, que la disfruteis y... ¡que la fuerza os acompañe!

¡En Guardia! Los sables de luz son tecnología punta

La espada de luz. ¿Qué otra cosa en la Guerra de las Galaxias podría simbolizar mejor la tensión única entre la hiper-tecnología y el feudalismo, que esta amalgama de técnica futura y pasada? Un objeto tradicional y al mismo tiempo de otro mundo, estos dispositivos prácticos y sofisticados parecen plausibles de un modo tentador, pero ¿hay alguna posibilidad de empuñar uno de estos en el futuro?



Antes de que podamos responder a la pregunta debemos saber qué es, o qué no es, exactamente una espada de luz. ¿Es un láser? En la primera película de la saga Star Wars, las espadas de luz parecen arrojar sombras, algo que no cabría esperar de un haz de luz del tipo del láser. Esto podría ser debido al hecho de que las escenas fueron filmadas empleando bastones sólidos, y más tarde se rehicieron añadiendo efectos especiales para que tuvieran el aspecto de rayos de luz. Ahora, en la era de los avanzados gráficos por computadora, podemos prescindir de usar chapuzas del tipo de los bastones sólidos en los estudios de rodaje, pero las sombras de las espadas de luz ya están firmemente establecidas en la iconografía del arma. Eso es lo que se espera. Diseñar un análogo a la espada requiere algunas características muy poco típicas del láser.

Por citar una, un haz láser no detendría a otro rayo láser en la forma en que una espada de luz detiene a otra. Pero qué quedaría del arte del manejo de la espada sin el quite y el bloqueo? Bien, digamos que vamos a hacerlo sin esgrima, pero aún así queremos un haz láser transportable en el cinturón que pueda cortar a nuestros enemigos a la mitad sin arruinar los muebles. Se ha dicho que la razón fundamental para que existiera un arma de estilo arcaico como la espada de luz en un mundo como el de Star Wars es el de evitar hacer agujeros en los cascos de las naves espaciales. Eso nos lleva al que, probablemente, es uno de los aspectos más difíciles de conseguir de la espada de luz: el control a voluntad de la longitud de la hoja de energía.

Una forma sencilla de diseñar un haz láser de longitud fija podría ser mediante un diseño similar al de una sierra de metales, donde una punta reflectante o absorbente podría mantenerse alejada a un metro, o casi, de la fuente del láser mediante un filamento rígido o una varilla. Pero este diseño imposible le restaría diversión al láser, reduciendo su eficiencia como arma omnidireccional y haciéndolo más difícil de usar o de transportar.

¿Entonces qué otra cosa podemos hacer?

Nos fuimos a hablar con el Dr. Marc Nantel de Photonics Research Ontario (Investigación Fotónica Ontario o PRO), para barajar otras ideas.

Nantes es el jefe de Laser Micromachining Facility (Instalaciones para Micromáquinas Láser) dependiente del PRO, un instituto de investigación financiado por el gobierno. Su trabajo tiene que ver con objetos cortantes que utilizan como filo un haz láser enfocado. Nantel está de acuerdo en que una espada láser sin una longitud fija supondría un pequeño riesgo. “Si estuvieras en una de esas situaciones del tipo pan y circo, en medio de la arena, los personajes matarían a todo el mundo”, señaló.

“Los rayos láser son rayos de luz paralelos, llegan muy lejos con la misma intensidad. “Para eso es para lo que son buenos”, comenta Nante. “Si colocas una lente en su camino, podrás doblar los rayos de luz de modo que converjan a un punto focal. Después de eso, lo rayos empiezan a divergir. La intensidad se hará más y más débil a medida que se aleje de su foco”.

Nantel explica que se puede obtener más intensidad de un mismo láser cuando lo haces converger a un solo punto que cuando son simplemente haces paralelos. Por la misma razón, si usas lo que él llama una lente “fuerte”, es decir una con una longitud focal muy corta, obtienes un punto de corte focal más fuerte que cuando el foco converge sobre una distancia más larga. El propio Nantel usa un láser de 12 vatios que debe ser enfocado muy apretadamente sobre el objeto que va a cortar. Los rayos de luz convergen muy rápidamente, luego divergen solo a una distancia muy corta detrás del plano objetivo.

Pero un láser que enfocase de un modo menos ajustado, digamos en forma de “X larga” en vez de hacerlo en “x corta” seguiría permaneciendo caliente a lo largo de una distancia más larga, aunque su punto focal jamás llegaría a estar tan caliente como lo haría si se enfocase de manera más afinada. “En el propio punto focal es donde se realiza el mejor corte, pero cerca del punto focal también se corta, siempre que estés por encima del umbral de daños de lo que estás intentando cortar”. Se conseguiría, en efecto, un láser con una longitud limitada que sería capaz de cortar a través de los objetos. La clase de objetos que podrías cortar dependería de la potencia y de la fuerza de la fuente.

Bueno, esto no es ni parecido a una espada de luz, pero es una sable láser que podría cortar la cabeza de alguien sin abrir un agujero en el techo. Solo quedan unos pocos problemas por resolver. Uno tiene que ver con las superficies reflectantes. Si haces brillar tu espada sobre una superficie reflectante cóncava, podría reenfocarse sobre algún punto desconocido y quemar algo que no se pretendía quemar, posiblemente a uno mismo. Cuando vemos nuestro reflejo en una cuchara, explica Nantel, nuestra cara aparece girada 180 grados ya que ha sido reenfocada por la superficie reflectante cóncava. “No uséis este arma en la cocina”, nos advierte.

Después, está el problema de encontrar una fuente de energía adecuada. Tal y como va nuestra tecnología hoy en día, simplemente no podemos atiborrar de energía suficientemente al mango de una espada de luz como para que emita un láser que chamusque. Pero ¿quién sabe las cosas que el futuro nos traerá? Tal y como señala Nantel, “viendo lo torpe y tosco del primer láser nadie hubiera pensado que los punteros láser pudieran ser posibles, pero ahora tenemos apuntadores lo bastante poderosos como para causar daños en los ojos de una persona”.

Posible diseño con Plasma

Después de que EXN.ca publicase La espada de luz es tecnología punta, surgió en nuestra página una charla informal en grupo acerca de cómo construir espadas de luz. Una de las ideas tocadas como método de construcción era la del plasma. Como muestra, esta carta:


“Para crear una espada de luz se podría construir un campo de plasma contenido por un campo magnético. Se podría contener al plasma en la empuñadura, cuando el interruptor se activa el campo electromagnético se vigoriza y el plasma se eyecta dentro de él. Aunque para conseguir las altas temperaturas requeridas por el plasma sería necesario un enorme suministro de energía, la espada de luz actuaría tal cual lo hace en las películas, y técnicamente no resulta imposible”. – Michael Ernst, estudiante, Miami.

Suena bien, en respuesta a la demanda popular, hemos consultado a algunos expertos. Echémosle un vistazo al propio plasma, y a lo que haría falta para construir una espada de luz con él.

El plasma es el así llamado cuarto estado de la materia, va justo detrás de los sólidos, líquidos y gases. Básicamente, si calientas lo suficiente un gas (o le aplicas suficiente energía de cualquier clase) puedes hacer que este se convierta en un plasma. La energía extra arremete contra los electrones cargados negativamente y los expulsa de los átomos que conforman el gas, lo cual divide al gas en iones cargados positivamente y electrones libres. El plasma generalmente irradia un montón de luz visible y calor. Los electrones continúan siendo atraídos por los iones, y tienden a reagruparse en cuanto la energía o el calor disminuye, de modo que el plasma es inherentemente inestable, y no dura mucho tiempo en la Tierra.

Vemos ejemplos de plasma cada día. El propio sol está compuesto por plasma, siendo en realidad una bola gigante de hidrógeno brillante súper calentado. Los relámpagos son un ejemplo de gases en la atmósfera encendiéndose en un rayo de plasma que impacta desde el cielo a la tierra en forma de descarga eléctrica. Los tubos fluorescentes y de neón son también ejemplos de una carga eléctrica iniciando la ignición de un gas, aunque a temperaturas más bajas. La fusión nuclear es una tecnología que busca fusionar los átomos de un plasma, lo cual daría como resultado una tremenda liberación de energía.

En este cañon de plasma sin electrodos, una señal de 3 megavatios inducida en las tres bobinas enciende el gas convirtiéndolo en plasma.

La tecnología del plasma se viene comercializando desde hace unos cuantos años. Los cañones de plasma se usan habitualmente para cubrir superficies con finas películas de otros materiales. Cuando intentas cubrir algo que tiene un punto de ebullición muy bajo, como los metales, con algo que tiene un punto de ebullición muy alto, como la cerámica, entonces la forma de hacerlo es usando un cañón de plasma. Se emplean en la construcción de todos los motores para aeronaves. Grandes volúmenes de gas explotan a causa de los arcos voltaicos, o son golpeados por las ondas de radio, o incluso por las microondas. Esto aporta energía al gas y lo lleva al estado de plasma. Se pueden alcanzar temperaturas que van desde 6.600 ºC a 16.600ºC, lo cual supera a la de la superficie del sol. Pequeñas bolas del material cobertor son arrojadas al chorro, lo cual sucede a una velocidad altísima. Las bolas se derriten inmediatamente formando microgotas, las cuales son propulsadas en la misma dirección que el gas. El plasma se enfría rápidamente a medida que los electrones se reagrupan de nuevo con los iones, pero las microgotas permanecen derretidas durante un tiempo mayor. Cuando estas gotitas golpean a gran velocidad la superficie del material que va a ser recubierto, se aplican a él y lo cubren como si se tratase de pintura.

La tecnología está ahí, de modo que ¿no sería fácil construir una espada de luz con plasma? Desafortunadamente existen unos pocos retos técnicos que solventar, especialmente si queremos parecernos más a un Jedi que a un tanque. Probablemente el inconveniente más desalentador es que, ya que el plasma es el cuarto estado de la materia después del gas, necesariamente es algo caliente en extremo. El plasma de hidrógeno es uno de los plasmas más fríos, y se consigue a 4.000ºC. Podría chamuscarnos los puños de la túnica un poquito.

Algunos plasmas son menos amenazadores que otros...

Una excepción reseñable a esta regla es que cuando ciertos gases se mantienen a presiones bajas, como los tubos de neón o las bombillas de luz fluorescente, se transforman en plasma a voltajes bajos y producen bastante luz mientras que aparentemente se calientan poco. Esta propiedad desaparece cuando se expone al gas a la presión atmosférica. Teniendo en cuenta esto, una espada de luz de juguete hecho con un tubo de neón es, verdaderamente, una espada de luz de plasma real. Pero aparte de poder sacarle a alguien un ojo con ella, no produce demasiados daños.

También existe algo conocido como descarga coronal. Este fenómeno puede verse en las noches húmedas en forma de ligero brillo alrededor de las torres de alta tensión. Sucede cuando una fuente de alta energía, como la del tendido, comienza a alterar el aire a su alrededor transformándolo en un plasma frío. La razón por la que se necesita una noche húmeda para que suceda es que el aire seco por si solo opone demasiada resistencia a convertirse en plasma con tan poco voltaje. Los gases encontrados en la contaminación tendrán el mismo efecto. La descarga coronal no es algo temible, y se demuestra regularmente en las aulas de los colegios. Todo lo que puede destruir son algunas moléculas de gas, y en la industria se le utiliza de este modo para limpiar los humos contaminantes en las centrales eléctricas y en las fábricas de pintura. Puede emplearse también para incrementar la porosidad superficial de algunos objetos, como los parachoques de los coches, para prepararlos para el pintado. Para eso se requieren sus buenos 10 o 20 minutos de tratamiento, aunque es difícil imaginarse a un oponente que espere de pie durante tanto rato para alterar su porosidad superficial.

El soplete de este plasma de corriente alterna consume de 125 a 700 Kilovatios y genera temperaturas de hasta 8.000 ºC

Ya que los plasmas fríos no son demasiado buenos, tenemos que volver con los calientes y su serio problema de calentamiento. Los cañones de plasma que usamos hoy en día son enfriados principalmente con agua, y gas. También impulsan vastas cantidades de gas a su través para conseguir un chorro. Un investigador sugirió que la miniaturización había alcanzado el punto en el que se podría conseguir un chorro de plasma a 10.000ºC, de aproximadamente 10 centímetros de largo, partiendo de una potencia de 40 kilovatios, en un aparato que tuviese un peso más o menos razonable, pero necesitaría poder bombear a su través un caudal de 50 litros de aire por minuto.

Un cañón de plasma en Aerospatiale, Francia.

La longitud del chorro podría suponer otro problema. “Seríamos capaces de crear más fácilmente una daga de luz que una espada de luz”, sugirió un investigador. La mayoría de los cañones de plasma solo alcanzan, a presión atmosférica, un par de centímetros antes de que los iones y los electrones se recombinen y el plasma pierda energía. En el espacio exterior cualquier cañón de plasma es propenso a extenderse mucho más ya que no hay nada en lo que la energía se pueda difundir, pero hablamos aquí de un par de metros, no exactamente de una Estrella de la Muerte. Sin embargo existen ahí fuera plasmas realmente muy largos. La compañía aerospacial francesa Aerospatiale, posee un plasmatrón, o generador de plasma, cuyo soplete mide un metro de longitud. Lo usan para ensayar las condiciones de reentrada que sufrirán los materiales de la lanzadera espacial Hermes^*. Este bebé funciona con 6 megavatios de energía y requiere unos cuantos metros cúbicos de gas por minuto (1 metro cúbico = 1.000 litros). El equipo que lo hace funcionar pesa varias toneladas. Tienen planes de desarrollar un plasmatrón que podría medir varios metros de longitud, pero que necesitaría una potencia de 120 megavatios (de la cual, la mitad, iría a parar al sistema de refrigeración).

Imagen del plasma tomada en el interior de un tokamak, que es la cámara de confinamiento magnético del plasma usada en los experimentos de fusión que se realizan en el Instituto Max Planck, Alemania.

Confinar el plasma nos permitiría alargar el soplete. En algunas aplicaciones, el plasma es confinado en un tubo de cuarzo refrigerado intensamente por gas para prevenir que se derrita. Se puede contener un plasma empleando un campo electromagnético, una especie de botella magnética. Esto es lo que se usa en los experimentos de fusión, donde los átomos de plasma son animados a fusionarse dentro de un confinamiento magnético. Si pudiésemos contener al plasma, entonces podríamos extenderlo a lo largo ya que existiría una menor difusión de la energía del plasma. Incluso podríamos ser capaces, bajo ciertas circunstancias, de repeler magnéticamente a la espada de luz de un oponente. El problema es que confinar algo tan peligroso como el plasma con un imán, en una situación de combate, podría no resultar una buena idea. Tal y como un corresponsal escribió: “Simplemente lánzale un imán de frigorífico al Sr. Jedi y se tostará”. Debemos recordar que en los laboratorios o en condiciones industriales, nadie trata de matar a los investigadores del plasma o a los operadores. Simplemente es demasiado fácil interferir en algo que se basa en campos magnéticos, de modo que no recomendamos este diseño para hacer duelos.

Con todo, creemos que las propiedades únicas del plasma lo hacen más apropiado para la industria que para la armería, al menos en los tiempos que corren. El mayor obstáculo en la investigación con plasmas ahora mismo es la disponibilidad de energía para los generadores. Si consiguiésemos descubrir nuevas y vastas fuentes de energía, sugieren algunos investigadores, entonces la investigación con plasma probablemente se aceleraría alcanzando niveles que no podemos imaginar. Hasta entonces, tendrán que apañárselas con la Fuerza.