¿Pueden los láseres levantar objetos?

Question

Me ha fascinado una pregunta muy intrigante: ¿pueden los láseres empujar objetos hacia arriba?

He hecho los siguientes cálculos para averiguarlo

Supongamos que tenemos un $1000~\text{mW}$ láser y nos gustaría levantar un objeto de peso $100~\text{g}$ .

Por definición: $1~\text{W} = 1 \frac{~\text{J}}{~\text{s}}$

Eso significa que el láser está emitiendo $1~\text{J}$ de energía por segundo.

Por otra parte, la energía necesaria para levantar un objeto del suelo viene dada por $m \cdot g \cdot h$ .

Poniendo el número y digamos que queremos resolver para

$0.1~\text{kg} \cdot 9.8 \frac{~\text{m}}{~\text{s}^{2}} \cdot h = 1~\text{J}$

Así que.., $h \approx 1~\text{m}$ .

Verás, si tuviéramos un $1000~\text{mW}$ láser podríamos levantar un objeto de $100~\text{g}$ peso hasta 1 metro en un segundo.

No veo nada malo en las matemáticas anteriores. Si esto es correcto, ¿alguien puede decirme entonces por qué en la Tierra utilizamos cohetes pesados para enviar objetos al espacio?

Answer 1

Su planteamiento es incorrecto. No puedes hacer este cálculo considerando que la energía absorbida por el objeto se convierte en un cambio de energía potencial gravitatoria. Por una parte, el objeto se calentaría e irradiaría la mayor parte de la energía y, por otra parte, se trata de un problema dinámico, hay que poder acelerar el objeto hacia arriba.

Lo importante es el producto de la potencia por unidad de superficie del láser y la zona sobre la que incide. Más concretamente, para "levitar" un objeto haciendo incidir un láser en su parte inferior es necesario que la fuerza ejercida hacia arriba por el láser sea igual a la fuerza $mg$ actuando hacia abajo. Una expresión general que se podría utilizar es $$\frac{1+r}{c}\int \vec{S} \cdot d\vec{A} \geq mg,$$ donde $\vec{S}$ es el vector de Poynting promediado en el tiempo del láser, con una magnitud igual a la potencia por unidad de superficie en el haz, y la componente de esta normal a la superficie se integra sobre la superficie del objeto a levitar. El término $r$ es la reflectividad de la superficie. $r=0$ para una superficie negra, pero la fuerza ascendente se duplicaría para una superficie perfectamente reflectante con $r=1$ .

Por lo tanto, suponiendo que tuviera un cubo completamente negro de superficie $A$ orientada de forma que una superficie fuera perpendicular a un rayo láser con vector Poynting $S$ : $$ \frac{SA}{c} \geq m g$$ $$ m \leq \frac{SA}{cg}$$ y si $SA = 1$ W, entonces $m \leq 3.4 \times 10^{-10}$ kg es la masa que podría acelerar hacia arriba contra la gravedad.

Answer 2

Su consideración implica que dispone de un dispositivo que puede convertir la luz láser con una eficacia del 100% y convertirla en energía mecánica. Esto es teóricamente posible, pero no hay mucho de física. Usted todavía necesita alguna escalera para subir a lo largo, y la construcción de un ascensor espacial requiere materiales mucho más resistentes de los que conocemos actualmente.

En la práctica, habría que utilizar algún mecanismo de conversión no ideal, por ejemplo un panel fotovoltaico. Con la tecnología más avanzada, se puede llegar a una eficiencia aproximada del 40%; la parte mecánica de tu dispositivo se puede hacer bastante eficiente, por lo que podemos esperar que tu láser podría proporcionar energía para una velocidad de ascenso de 1/3 m/s con un peso del dispositivo de 100 gramos. Parece posible.

Sin ninguna escalera, puedes utilizar un láser muy potente para ejercer presión óptica directa. Si dividimos el momento de cualquier fotón por su energía, llegamos a que un láser de 1000 mW ejerce una presión de 1/c=3,3 nN sobre cualquier superficie absorbente. Siempre que la luz se reflejara totalmente, se necesitaría un láser continuo de 150 megavatios para levantar un espejo de 100 gramos. Esto supone tres órdenes de magnitud más de potencia que lo que hemos construido hasta ahora, aunque los requisitos totales de potencia podrían reducirse considerablemente si se añadiera un espejo en la plataforma de lanzamiento para formar un resonador óptico gigante.

Otra opción sería utilizar un láser menos potente para calentar algún fondo evaporativo del cohete, de modo que no tenga que aportar toda su energía en forma de combustible relativamente ineficiente. Esta parece una de las vías plausibles para la propulsión de cohetes del futuro.

Answer 3

Búsqueda Pinzas ópticas .

Las limitaciones de la técnica se deben a los umbrales de daño; véase ablación láser .

Esta idea se ha utilizado mucho en la ciencia ficción, sobre todo cuando se aplica como velas solares . Incluso es práctico para algunas aplicaciones, como se señala en el artículo. Pero propulsión láser del suelo sufre pérdidas debidas a la atmósfera.

En propulsor láser fotónico es la nueva tecnología de moda.

Answer 4

El láser es una emisión estimulada de fotones altamente energéticos. El uso fundamental del láser es el calentamiento; la propulsión es un objetivo muy lejano que los láseres pueden alcanzar.

Pocos láseres de kW de potencia pueden realmente levantar la masa (aunque en valores muy pequeños) porque el haz de energía incidente tiene un momento asociado. Su suposición no es correcta, ya que está comparando la energía térmica con la energía potencial (con una eficiencia de conversión del 100%). Simplemente no se puede conseguir una potencia mecánica de la escala que has especificado utilizando láseres.

El simple hecho de que la eficiencia del proceso sea muy baja en el caso del láser limita nuestro objetivo de utilizar láseres para la propulsión de cohetes. La eficiencia típica del láser es de casi el 5-10 % de la energía de entrada (normalmente electricidad). La conversión de energía térmica en energía mecánica también tendrá muchas pérdidas, por lo que se necesitarán sistemas adicionales.

Vídeo de referencia: https://www.youtube.com/watch?v=3F1FDwg4XRc