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Conceptos Avanzados Sobre el Laser Para el Siglo 21

Coronel Jonathan W. Campbell, Ph.D, USAFR

Durante el siglo pasado uno de los primeros héroes de la cinematografía Estadounidense fue Roldán el Temerario (Buck Rogers). Su nave para el viaje interestelar usaba cañones de rayos para derrotar a los malvados adversarios. Años más tarde aún en el siglo 20, se descubrió el láser. El láser produjo un nuevo tipo especial de luz que viaja como haz en una recta perfecta sin esparcirse en todas direcciones. Las balas que nos parecen viajar a velocidades muy altas de hasta dos o tres veces la velocidad del sonido son muy, muy, lentas cuando se les compara con la velocidad de la luz. Los fotones que componen el rayo láser se desplazan a 1 millón de veces la velocidad de sonido. 

Hoy en día los láseres se encuentran en muchos y muy variados usos difundidos a través de nuestra civilización mundial. Estos incluyen usos médicos, industriales y militares. Por ejemplo en la rama de la medicina, los vemos cada día en mayor uso como bisturíes láser para la cirugía, en los tratamientos de las enfermedades de la piel y para mejoras cosméticas, y ablación con láser para la corrección de la visión. Los ejemplos industriales incluyen máquinas láser para hacer cortes, hológrafos láser para almacenar información, dispositivos láser para hacer medidas en la fabricación de materiales. En el ámbito militar, los láseres se están usando como medidores de distancias y para precisar blancos. 

Conforme avanzamos en este nuevo siglo, se van a encontrar muchos nuevos y emocionantes usos para el láser y en este artículo consideraremos algunas de esos usos futuros. En general, científicos e ingenieros, los modernos magos de nuestra era, trabajan constantemente para mejorar la tecnología del láser buscando ofrecer más altas intensidades, pulsación mas corta, mejor propagación atmosférica, más alta eficiencia, más alta precisión para señalar y rastrear, y mayor agilidad de longitud de onda por menos dinero. 

Las intensidades más altas del láser intrigan ya que sirven para abrir la puerta para los usos emocionantes que nos traen a la mente aquellas que Hollywood propone en sus tan populares producciones tales como las de Viaje a las Estrellas (Star Trek) y la Guerra de las Galaxias (Star Wars) y por supuesto en el original Roldán el Temerario (Buck Rogers). En este artículo presentaremos los conceptos de siete Sistemas Láser de avanzada y alta intensidad para el Siglo 21. Estos son el Sistema de Láser Aerotransportado (Airborne Laser System), el Sistema Láser Basado en el Espacio (Space Based Laser System), el Sistema Láser de Remoción de Escombros en Órbita, el Sistema Láser para la Desviación de Asteroides, Meteoritos y Cometas, el Sistema Láser para Transmisión de Energía, el Sistema Láser para Propulsión, y el Sistema Láser para Propulsión Interestelar.

Sistema de Láser Aerotransportado (ABL)
El Láser Aerotransportado es el primer tipo nuevo de sistema de armamento. Así como la invención de pólvora, los buques acorazados, y el avión eventualmente revolucionaron las batallas; de manera semejante lo hará el armamento láser del futuro. El despliegue de esta arma será un punto clave en la historia del arte de guerra. Conforme evoluciona el armamento moderno hacia mayor exactitud, esta arma proveerá el ultimo grito en precisión en las operaciones. La aeronave que servirá de plataforma aérea para el ABL de clase megavatio láser será un Boeing 747. Acomodará la tripulación, el láser, la óptica de transferencia, y el director del haz. 

La misión primaria para el sistema será para destruir misiles balísticos enemigos de todo tipo tierra-tierra durante la fase de lanzamiento. Los cohetes SCUD y sus derivados son los blancos primarios. No obstante que lo preferente es la destrucción de ambos los proyectiles y sus sistemas asociados de lanzamiento en tierra, los SCUD demostraron ser relativamente difíciles de localizar sobre el terreno durante Tormenta del Desierto. Fue durante ese conflicto que se hizo aparente cuan vulnerables son las fuerzas modernas al ataque con proyectil balístico. Afortunadamente, los Iraquíes optaron por usar solamente explosivos convencionales en las ojivas. Las implicaciones que trae consigo el uso de ojivas armadas con elementos químicos, biológicos o nucleares es un gran incentivo para el perfeccionamiento del ABL. 

Una vez el proyectil ha sido lanzado, llega a ser relativamente fácil localizarlo usando radar y otros sensores en el espacio de la batalla. Acometer los proyectiles durante la fase de lanzamiento ofrece la ventaja de que el cascote caiga sobre el territorio del atacante. En lo que respecta a ojivas nucleares o biológicas especialmente, es un beneficio fundamental que se puede obtener de este nuevo sistema de armamento. 

Ningún enemigo racional, sabiendo que esas cargas sumamente mortales caerían sobre su propio país y sobre su propia gente se atrevería a intentar un lanzamiento mientras el ABL defiende en su contra. De allí que, el sistema ofrezca una enorme disuasión suprimiendo el lanzamiento de proyectiles balísticos. El enemigo puede elegir aún la opción de un lanzamiento simultáneo masivo en la esperanza de saturar las capacidades del ABL para hacerle frente a blancos múltiples. Tal opción puede preverse y simplemente se colocan más sistemas ABL en el espacio de batalla para contrarrestar esta opción. Además, lanzamientos simultáneos en forma masiva hace los misiles y sus sistemas de apoyo y lanzamiento más vulnerables a los ataques terrestres y aéreos preventivos de prelanzamiento por equipos de operaciones especiales. 

El concepto de operación para el ABL es circular una posición escogida varios cientos de kilómetros fuera de las fronteras de una nación enemiga. Una vez un lanzamiento enemigo se detecta, las coordenadas se proveen a la central de sensores de radar, infrarrojo, óptico y láser del ABL’S. Los sensores del ABL entonces adquieren el blanco y comienzan a rastrearlo en forma autónoma. Una vez que se establece definitivamente se dispara el láser contra el blanco. El haz viaja a través de la atmósfera hacia el blanco a la velocidad de la luz. El rayo se enfoca sobre el motor cohete del misil. En fracción de segundos, quema una perforación a través del mamparo del motor. En una escala pequeña, podríamos decir que se compara a punzar un globo con un alfiler. Así como el globo estalla; el misil también pues los gases calientes escapan por esa perforación y agrandando rápidamente el hoyo hasta que el cohete se rompe completamente cayendo sobre su propio territorio. 

El programa ABL tiene su asiento en aproximadamente tres décadas de investigación sobre el láser de alta-energía y en la investigación de tecnologías relacionadas en los campos de medición atmosférica, regulación de disparos, mortalidad, la precisión de señalar el blanco/de rastrearlo, óptica adaptable, y componentes y revestimientos ópticos de alto rendimiento. El sistema puede dividirse en subsistemas tecnológicos similares: director del haz del láser; regulador del haz; adquisición, rastreo, apunte, regulación de disparo, y administración de batalla. 

El láser ABL produce un rayo multi-megavatio, un haz de 1.3 micrones de longitud de onda. Usa tecnología química de oxígeno yodado (COIL). El láser es un magnifico logro de la ingeniería en que integra abastecimiento de fluidos, generadores de oxígeno, regulación térmica, generadores de ganancia, resonadores ópticos, recuperación de presión, y la instrumentación y componentes de regulación en un dispositivo de alto rendimiento. También incluye todo el tren óptico (espejos, divisores del haz, etc.). 

El ABL director del haz montado en el mirador de nariz del avión es el receptor y el transmisor óptico principal (telescopio) con una apertura primaria de 1.5 metros. Como un receptor o telescopio, recaba rúbricas ópticas que recibe desde el blanco para el uso por el subsistema de regulación de fuego para rastrear el blanco. También recaba información para la compensación atmosférica y ayuda con evaluaciones de matanza. Como un regulador del haz, coloca el láser de alta — energía precisamente sobre el blanco.

Además de destruir los misiles balísticos, el ABL es capaz de operar contra misiles de crucero, aeronaves, y aún algunos blancos terrestres tales como los emplazamientos de defensa antiaérea. Dependiendo de los parámetros finales de sistema, el sistema puede también ser capaz de operar contra satélites en órbita baja. Y podría ofrecer una excelente capacidad de vigilancia. Se espera que el sistema sea desplegado desde los EE.UU. continentales con tantos como cinco sistemas. Cada sistema ABL contará con su propia escuadra de combate que les da la escolta necesaria de protección contra posibles contraataques.

El programa ABL tiene planeado demostrar una exitosa interceptación de la fase de impulso de un cohete balístico transcontinental (TBM) en 2002. Para el 2005 se espera que cinco sistemas estén en pleno estado operacional. Las cinco áreas de riesgo para el ABL son la integración y prueba del sistema montado en una aeronave; el rastreo activo de TBMs; poder demostrar compensación atmosférica para el haz láser de alta energía; la transición de rastreo de la cauda del proyectil al cuerpo duro de proyectil; y la construcción de un láser de alta energía con un adecuado “peso de vuelo”.

Sistema Láser Basado en el Espacio (SBL) 
El Sistema Láser Basado en el Espacio (SBL) en un sentido mayor que el ABL sería un arma esencial en la historia del arte de la guerra. Por primera vez, los Estados Unidos desplegarían un arma en el espacio. Realmente, el SBL sería algo más de un sistema único de arma. Más bien, sería una red o constelación de 20 satélites en órbita a 4000 kilómetros que proveen cobertura global continua. Como con el ABL, el SBL requerirá de un número de avances tecnológicos para poder alcanzar estado operacional. Normalmente, los avances programados incurren costos más altos que los planeados. 

Esos avances tecnológicos incluyen el progreso del impulso de despegue para elevar 80,000 libras al espacio a una órbita de 1300 Km.; el perfeccionamiento de un espejo primario grande capaz de ser desplegado en el espacio; construcción de un láser de clase de megavatio con las cualidades necesarias para estacionarlo en el espacio; la integración de las tecnologías del SBL en una astronave; y una energía balística eficiente para derribar misiles. Los otros desafíos incluyen la demostración de un láser de alta energía desde el espacio; creación de las instalaciones de evaluación y prueba capaz de alinear con precisión la óptica desplegable; y realizar una prueba completa del sistema integrado incluyendo el láser de alta energía, óptica de trasferencia, sistemas de aislamiento, y el extensor del haz. 

Como con el ABL, su misión principal sería derrotar los misiles balísticos del enemigo en la fase de despegue para provocar su caída sobre su territorio de origen. Y como con el ABL, usaría alta precisión para rastrear y apuntar colocando un rayo láser sobre la sección donde se encuentra el motor del cohete y así provocar que se rompa durante el lanzamiento. Las misiones colaterales incluyen superioridad aérea (antiaérea), superioridad de espacio (antiespacial, vigilancia de espacio), predominio de información (vigilancia del terreno, reconocimiento del terreno), y empleo de precisión (aplicación de fuerza). 

El SBL también ofrece beneficios para misiones de paz tales como la astronomía, como sensor de los cambios terrestres, propulsión láser en el espacio, remoción con el láser de los escombros y basura espacial, y rastreo y detección de asteroides. Trataremos estos dos temas un poco más profundo en las secciones siguientes. En el área de astronomía, la óptica alta de temperatura podría, con un adaptador, usarse para obtener imágenes del Sol. 

El subsistema láser previó para el sistema de armas SBL, denominado el elemento láser útil, se ha proyectado para generar un láser hidrógeno fluoruro (HF), multi-megavatio, con una longitud de onda 2.7 de micrones. El regulador del haz se ubicará en la parte delantera del satélite y alojará un espejo primario de 8-12 m. Además de orientar el rayo en la dirección deseada, recabará también las rúbricas e imágenes del blanco para su rastreo, vigilancia, y condiciones de su localización. Un subsistema óptico adaptable, apoyado por un espejo deformable adentro del elemento resonador óptico del láser útil, se encargará de corregir deformaciones de fase y vibración en el rayo. 

Como con el ABL, el SBL llegaría a ser parte de la arquitectura del Teatro de Misiles de Defensa Nacional (TMD), y así ofrecer la primera línea de defensa contra misiles balísticos. Ya que estos sistemas serían capaces de operar sobre cualquier región del mundo, se usarían también para proteger a los aliados de los Estados Unidos en caso de conflictos regionales.

Sistema Láser de Remoción de Escombros
en Orbita

Conforme más y más naciones del mundo adquieren la capacidad de aprovechar el espacio más y más escombros se van abandonando y acumulando en órbita. Este cascote incluye escamas de pintura, tuercas y tornillos, pedazos de mamparos, congelados refrigerantes, y pedazos de aislamiento térmico. Es el resultado de satélites defectuosos que estallan en el espacio; las etapas superiores que se han roto en el espacio; las colisiones entre satélites; o tirado de materias de desperdicio por la borda. No incluye meteoritos o micrometeoritos. Ya que todo ese cascote se desplaza a hipervelocidad, este cascote representa un problema serio para el viajero en el espacio. El impacto de un objeto pequeño de esa basura que se desplaza a esas velocidades vertiginosas puede ocasionar muy serios daños a los satélites o la estación espacial en uso. 

Al presente la protección de la estación espacial incluye blindaje contra objetos menores que 1cm en el tamaño. Para objetos grandes (10-30 cm y más grandes), la estación de espacio depende de la red de rastreo del espacio para proveer detección y dar la voz de alarma adelantada, para que entonces puedan maniobrar de tal forma que puedan evadir la trayectoria de ese escombro. Muchos satélites carecen de protección en todo. Para objetos del orden de 1-10 cm, no hay protección actual. 

Felizmente, para la gama de ese tamaño, se ha determinado una valiente solución para resolver este problema. Utilizando láseres de alto poder que disponemos hoy en día, una facilidad terrestre — podría detectar, rastrear, y entonces irradiar un objeto en órbita lo suficientemente para ocasionar su ligero cambio de dirección. Cada pulsación del láser (de intensidad suficiente) cayendo sobre la superficie del objeto ocasionaría un tan rápido calentamiento que la conducción no tendría tiempo de ocurrir y de allí que una capa delgada de superficie de la materia supercalentada sería mondada o vaporizada. En estas altas intensidades, el vapor caliente se expande muy rápidamente alejándose de la superficie haciéndole actuar en forma parecida a una reacción a chorro que propulsa el objeto en la dirección opuesta. Aunque el efecto para cada pulsación es muy pequeño, los efectos acumulativos de una serie de muchos pulsos durante varios minutos (10-100 por el segundo) cambiarán significativamente la órbita del objeto. 

Si somos listos respecto para saber donde en la órbita es que comenzamos a pulsar el objeto (conforme se eleva arriba del horizonte) entonces nosotros podremos bajar el perigeo de la órbita. Rebajando el perigeo abajo de 200 km. de altitud constituye éxito. Un objeto de cascote a esta altura sufrirá resistencia atmosférica relativamente fuerte. Por mucho, el objeto durara unas pocas horas mas hasta que se incinere en la atmósfera. 

En un importante estudio conjunto de la Fuerza Aérea y la NASA, se determinó que una sola instalación de láser ubicada cerca del ecuador, usando la tecnología presente, podría remover todo el cascote que se encuentra en órbita por abajo de los 1500 km con un costo menor de 400 millones de dólares. El lanzamiento de un transbordador espacial o cohete Titán cuesta actualmente al derredor de 500 millones de dólares. Un solo satélite único cuesta en el orden de 100-200 millones de dólares como promedio. Algunos científicos han calculado que los valiosos bienes espaciales sufrirán una frecuencia de choques con escombros de 1 por año cuando consideran todos los elementos que se encuentran en órbita hoy en día y la cantidad de basura estimada al presente. 

Una instalación terrestre para la remoción del cascote que se encuentra en órbita es una solución elegante en que protege a todos. Por esa razón, probablemente sería apropiado que fuese un esfuerzo internacional conjunto respaldado por las Naciones Unidas. 

Sistema Láser Para la Desviación de Asteroides,
Meteoritos y Cometas

Hace aproximadamente sesenta y cinco millones de años que el 70% de todas las especies de vida que había en nuestro planeta fueron repentinamente extintas incluyendo los famosos dinosaurios. Muchos científicos ahora creen que la causa de esta extinción fue una colisión entre la Tierra y un asteroide que se desplazaba a una hipervelocidad. El asteroide era relativamente pequeño de más o menos 1 Km de tamaño y aún así resultó ser increíblemente destructivo. El impacto resultante arrojó tremendas cantidades de polvo y tierra en la atmósfera lo que previno que la luz solar llegara a la superficie terrestre y por lo tanto enfriando el planeta. Las plantas se fueron muriendo en forma masiva resultando en el completo derrumbe del sistema ecológico. Después de la muerte de las plantas, los herbívoros siguieron, y entonces, finalmente, los carnívoros murieron. 

No fue sino hasta recientemente que la comunidad científica se dio cuenta del potencial de destrucción que tienen aún cuerpos relativamente pequeños. Un impacto tal hoy en día también sería catastrófico resultando maremotos, sismos, y cambios de clima. El impacto por un objeto más grande parecido a los que han chocado con la Luna y Marte en el pasado, destruirían todo lo que tiene vida sobre la Tierra.

Ahora poseemos la tecnología para prevenir tal catástrofe. Las instalaciones podrían ponerse sobre los polos de la Luna, alrededor del ecuador de la Tierra, en el Polo Norte y Polo Sur, en órbita Solar y en órbita sobre la Tierra. Cada instalación en el espacio tendría de una planta eléctrica solar, un conjunto láser grande que alimenta un rayo de precisión dirigible, y un conjunto de detectores para rastrear y localizar con precisión objetos en el espacio. 

Aprovechando el principio de microablación del que hablamos con anterioridad, podemos cambiar la órbita solar de un asteroide, meteorito, o cometa asestando consecutivamente pulsaciones con muchos láseres de alto poder. Cada pulso que es asestado sobre la entera superficie expuesta del objeto serviría para hacer un cambio minúsculo en su órbita. Las simulaciones en el Centro Marshall de Vuelo en el Espacio de la NASA ha mostrado que si nosotros detectamos el objeto lo suficiente pronto de modo que podamos trabajar como un mes sobre el objeto con nuestro láser, podemos desviarlo y evitar una colisión con la Tierra.

Sistema Láser para la transmison de energia
A veces la gente pregunta por qué ir al espacio. Una razón es que allí se puede recabar energía ilimitada. Aludimos a un uso para esa energía en los párrafos anteriores. Hay muchos otros. Estos incluyen energía para la Tierra desde estaciones en órbita terrestre. Podríamos colocar una estación en órbita Lunar que provea energía a los observatorios astronómicos y otras instalaciones allí. Podríamos también, tener una estación en órbita sobre Marte que provea energía a los observatorios astronómicos y otras instalaciones allá. 

Una vez se recoja la energía, tenemos que transferirla desde la planta de energía a una ubicación receptora donde se le pueda dar buen uso. Los láseres poseen la posibilidad para transmitir esa energía a través de grandes distancias. En el principio, la luz solar se convertiría en electricidad utilizando grandes celdas solares. La electricidad entonces se convertiría en un haz láser muy compacto que saldría de la planta eléctrica y se dirigiría en un receptor generalmente localizado a muchos centenares de kilómetros de distancia.

El haz del láser iluminaría los paneles recolectores donde la energía o se convertiría en calefacción o en energía eléctrica para el uso en esa ubicación o para su trasferencia adicional.


 
Sistema de Láser Aerotransportado (ABL)
Sistema Láser Basado en el Espacio (SBL)
Sistema Láser de Remoción de Escombros
Sistema Láser Para la Desviación de Asteroides, Meteoritos y Cometas
Sistema Láser para la transmison de energia
Propulsión por Láser
Velas Láser para la propulsion interestelar
Resumen
Referencia y Bibliografía
Propulsión por Láser
Los láseres también pueden usarse para propulsión. La parte más grande y pesada de los sistemas modernos de cohetes radica en el sistema de combustible y propulsión. Las cargas útiles son relativamente pequeñas. Si podemos encontrar una manera de dejar esos sistemas de propulsión en el suelo entonces podremos volar hacia la órbita mucho más barato que en el pasado. De hecho, hay una cantidad tremenda de investigación actualmente tratando de encontrar la forma de reducir el costo por kilogramo de carga útil colocado en órbita de más de $10,000 a $100. 

Usando un láser asentado en tierra, podemos basar nuestro sistema de propulsión en tierra donde los costos son menores y proyectar la energía a la nave espacial. Para operaciones en la atmósfera, los investigadores han demostrado recientemente que el fraccionamiento del aire es suficiente para propulsar un vehículo. Para operaciones en órbita o espaciales, uno tendría que usar un núcleo ablativo para proveer impulso adicional.

Velas Láser para la Propulsión Interestelar
Otra aplicación podría ser usando conjuntos de láseres de alto poder en el espacio. Dentro de una distancia de 17 años luz de la Tierra se encuentran más de 70 sistemas estelares. No necesitamos un sistema de propulsión como el de Viaje a las Estrellas (Star Trek) para alcanzar estos sistemas. Acelerando en 1 g por 1 mes llevaría a una astronave al 10% de la velocidad de la luz. Acelerar así por seis meses alcanzaría el 50% de la velocidad de luz. A esa velocidad, todas las estrellas cercanas nos son accesibles dentro del lapso de la vida humana. 

NASA esta revisando las tecnologías que permitieran las primeras misiones interestelares. El grupo más prometedor de tecnologías incluye el uso un poderoso conjunto láser en el espacio que hinche una vela láser hacia la estrella más cercana Alpha Centauri.

Resumen 

La tecnología láser ha evolucionado rápidamente desde su comienzo a mediados del siglo pasado. Promete ponernos en condiciones de aprovechar muchas aplicaciones relacionadas con el espacio que serán de beneficio a toda la humanidad.

El ABL y SBL son precursores de una clase enteramente nueva de armamento. Mediante el aprovechamiento de esta tecnología, estaremos en condiciones de beneficiarnos por su aplicación en muchos usos pacíficos.

Láser para la Remoción de Escombros en Orbita es algo que tendrá que hacerse. La proliferación de objetos de basura y escombros está en conflicto directo con la creciente presencia humana en el espacio; y eso requiere que la elegante solución que aquí ofrecemos sea implantada. Esta es una solución internacional.

La desviación con láseres de asteroides, meteoritos, y cometas es probablemente la misión espacial internacional más importante para nuestro planeta: la Tierra, en el siglo que comienza. La Tierra ha recibido impactos varias veces en el pasado y recibirá impactos semejantes en el futuro. Es simplemente un hecho natural. Recibiremos algún impacto nuevamente. Si se nos da el tiempo suficiente, podríamos prevenir la colisión siguiente. Tenemos ya la tecnología para salvar la Tierra. Necesitamos trabajar juntos para construir la red de defensa necesaria para proteger la Tierra. Seguramente no podemos darnos el lujo en disipar más tiempo.

El vuelo interestelar por el espacio es el sueño. Un día la humanidad viajará a las estrellas.

Referencia y Bibliografía

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El Coronel Jonathan Campbell, Ph.D., USAFR, (Licenciatura en Ingeniería Aeroespacial, Auburn University; Maestrías en Ingeniería, Física Experimental, Física Teorética, y Doctorado en Astrofísica y Ciencia Espacial, Alabama University), es un astrofísico y científico espacial de la NASA, y Coronel de la Reserva de la USAF. En NASA trabaja como Jefe de Proyectos en la oficina de Conceptos Avanzados, Hunstville, Alabama. Entre sus proyectos se incluye la eliminación de escombros orbitales y desviación de asteroides y cometas usando rayos láseres, y el desarrollo de misiones interestelares. En la USAFR, trabaja para la Universidad del Aire en Maxwell AFB, Alabama. Anteriormente ha trabajado como científico residente en astrofísica de la NASA, jefe de ingenieros para el Space Shuttle y el Space Telescope, y el Centro de Inteligencia Espacial del Redstone Arsenal. El Coronel Campbell es graduado de la Escuela de Oficiales de Escuadrón, la Escuela Superior de Comando y Estado Mayor, y la Escuela Superior de Guerra Aérea, Maxwell AFB, Alabama.

 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
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