Dime y lo olvido, enséñame y lo recuerdo, involúcrame y lo aprendo (B. F)

La física detrás de los sables y pistolas láser

Sables ,Láseres ... rayos y  centellas
¿Qué rayos lanzan las pistolas de Star Wars?

En las películas de Star Wars el armamento es una de las cosas que más llaman la atención y que más comentarios y críticas científicas suscita.

Desde la imposibilidad de contener un rayo láser a modo de sable, hasta lo absurdo de poder ver un rayo láser saliendo de una pistola.

Pero la pregunta es: ¿son realmente láseres o son en realidad rayos de una naturaleza diferente?

Vamos a investigar qué son realmente esos rayos.

Por qué no pueden ser rayos láser

Ya hemos dicho antes que el simple hecho de que podamos ver un haz láser viajando por el espacio es un absurdo dada la velocidad de la luz; pero es que además si nos fijamos en las películas cuando los soldados imperiales reciben un disparo, estos van hacia atrás, que no pasa con un rayo de luz.
Un rayo de luz sí tiene momento (que es lo que nos empuja hacia atrás cuando nos golpean) pero no el suficiente para lanzar una persona por los aires.


Luego ahí tiene que haber algo más.

Ahora ya tenemos la justificación de por qué los rayos que lanzan las pistolas “láser” que vemos en Star Wars, pero hay que entender ahora qué narices es lo que disparan esas armas para que sean tan letales y devastadoras.

Descartadas quedan las balas comunes de las armas que tenemos en este triste planeta desde donde solo podemos soñar con una nave que alcance hipervelocidad.


La alternativa al rayo láser en Star Wars

La alternativa más clara a los rayos de luz son rayos de plasma. 

Estos rayos podrían tener todas la propiedades de los rayos que vemos en Star Wars, salvo la escasa marca que dejan estos disparos en las víctimas, como podemos ver durante toda la saga de Star Wars.

Primero aclaremos, el plasma no es más que un estado cuasi-líquido de la materia en la que debido a la temperatura los gases se encuentran ionizados; en términos entendibles: gas ardiendo.

Este plasma se puede confinar en una forma similar a un cilindro y hacer volar por el espacio de forma parecida a lo que vemos en las películas. 

Es más, aquí en el planeta Tierra tenemos prototipo que son reales, aunque distan mucho de tener la elegancia y eficacia de los rayos mortales de Star Wars. 

Nos queda el tema del color, algo más complicado, pero también imaginable.

Existen ciertos estados de excitación térmica en los que los gases pueden brillar con un color determinado, como por ejemplo rojo, verde…

Poder controlar este color es hoy por hoy imposible para nosotros humanos, pero no es descabellado que una civilización capaz de crear un arma que destruye planeta con presionar un botón, pueda control el color de los rayos de sus pistolas.

Pero con todas las características del plasma que hemos contado, sigue sin ser el candidato perfecto para esta cuestión.

Es aquí donde el buen científico da un paso atrás y entiende que los rayos que lanzan las pistolas en Star Wars tienen bastante más de ficción que de ciencia.

Procesos físicos como la inversión de población y la emisión estimulada, conceptos como el de luz coherente, monocromática y direccional han dejado de tener misterio alguno para nuestros lectores .

Asimismo, las dificultades intrínsecas para diseñar y construir armas compactas capaces de volatilizar un blanco potencial empiezan a dejarse ver.
Cuestiones como el tamaño de las fuentes de alimentación y los sistemas de refrigeración (láseres suficientemente potentes como para destruir un satélite en órbita deberían estar alimentados por reactores nucleares y refrigerados por metales líquidos como litio o sodio, ya que en el espacio no hay agua) adquieren una significación determinante, limitando seriamente la posibilidad de disponer de dispositivos como pueden ser las pistolas de rayos.

La física detrás de los sables y pistolas láser

Las primeras aventuras espaciales que inundaban todas las revistas “pulp” en las primeras décadas del siglo pasado trataban de héroes fantásticos que viajaban por mundos lejanos y exóticos librando batallas contra malvados y todo tipo de criaturas extraterrestres.

El denominador común de las armas utilizadas era casi siempre la ya mítica “pistola de rayos”, la “pistola de energía” y los “desintegradores”, unos dispositivos cuasi todopoderosos y capaces de aturdir, matar o vaporizar su objetivo, dependiendo de lo dadivoso que se mostrase el héroe de turno.

Así, personajes como Buck Rogers o Flash Gordon poseían armas de este tipo, probablemente inspiradas por el terrible “rayo calórico” del que habían hecho gala los marcianos invasores de “La guerra de los mundos” en 1898.

Unos años después, durante la década de los 60, los protagonistas de Star Trek maravillaron al mundo con su “fáser” y, a finales de los 70, Han Solo y Luke Skywalker, entre otros, nos deslumbraron con su “bláster”, para delirio de los fans de Star Wars.

¿Qué tienen en común todos estos artilugios, surgidos de la mente calenturienta del hombre y creados para la destrucción?

Pues que todos ellos son, en todos los casos, armas muy manejables, siempre accionadas desde las manos de sus poseedores y parecen emitir luz.

¿Qué son? ¿Cómo funcionan? ¿Tienen alguna base científica?

Éstas y otras preguntas encontrarán respuestas adecuadas en un momento. Ahora, un poco de publicidad…

Los láseres operativos que poseemos actualmente abarcan longitudes de onda que van desde el infrarrojo hasta el ultravioleta. Me imagino que seguirán dándole vueltas en sus cabezas al asunto de los láseres de rayos X o a los inquietantes gráseres o láseres de rayos gamma.

Siento decepcionarlos, pues casi todo lo que se está haciendo en el mundo con ellos se halla casi siempre tratado como materia clasificada, ya que su potencial uso militar es evidente y a esta gente le encanta jugar a soldaditos y hacerse los interesantes con los secretitos. Mala suerte.

 Lo siento. Si os sirve de consuelo, puedo contarles que, por ejemplo, para producir un haz de rayos X sería preciso bombear energía al medio activo que constituye el láser mediante una pequeña explosión nuclear.

Me imagino que para el gráser los requerimientos serán poco menos que escandalosos, pero también os digo que si los militares están en ello, acabará lográndose.

Es cuestión de tiempo y de dinero.

Bien, pero vamos hacia el desenlace de esta trilogía, que a buen seguro lo estáis esperando con frenética avidez.

¿Qué os parece empezar por esas maravillosas y preciosistas escenas en Star Wars donde se pueden apreciar con total nitidez los rastros de colores brillantes de los rayos láser?

Otra decepción: resulta que son físicamente imposibles.

¿Por qué? Pues muy sencillo. Si recordáis, en el primer episodio habíamos dicho que la luz láser era muy direccional. Y ahí reside la cuestión.

Si alguna vez habéis observado un puntero láser de esos que ya venden en las tiendas de “todo a 1 euro”, os habréis dado cuenta de que el rastro de la luz no aparece por ningún sitio. Únicamente se percibe un punto luminoso si el haz golpea sobre algún objeto material, como puede ser una pared o el careto de algún pardillo que se ponga por delante.

Es decir, que únicamente seremos capaces de “ver” el láser si la luz interacciona de alguna forma con la materia.

Si una persona apunta el láser en una determinada dirección, ¿cómo va a ser capaz de ver él mismo el trazo?

Para que eso sucediese, la luz debería viajar en dirección a sus ojos, rompiéndose la condición de direccionalidad de la que hace gala la radiación láser.

Quiero deciros, además, que este fenómeno no es exclusivo del láser. Con una linterna ocurre exactamente lo mismo. Entonces, ¿por qué vemos la luz de la linterna y no la del láser?

Pues, sencillamente, porque la luz procedente de la linterna se dispersa mucho más, el haz se abre a medida que se aleja de la empuñadura.

En ese “camino ancho” por el que viajan los fotones se encuentran con partículas de polvo en el aire, chocan con ellas y salen rebotados en todas direcciones, en particular, hacia nuestros ojos.

En cambio, el láser viaja por un “camino mucho más estrecho”, interaccionando muy de cuando en cuando con alguna mota o partícula de polvo.

Por eso, a veces, se puede apreciar algún que otro destello ocasional.

De todas formas, en el vacío del espacio la cosa aún es peor, pues ahí no existe materia alguna con la que los fotones puedan interaccionar y, consecuentemente, salir despedidos en dirección alguna.

Deben resultar, por tanto, completamente invisibles.

Un truco muy utilizado para poder ver el camino seguido por un rayo láser es el de fumar (os recuerdo que fumar perjudica seriamente la salud) y expulsar el humo por la región por donde viaja el haz.

Los no fumadores pueden hacerlo de más formas, una de ellas es introducir la luz del láser en un tanque lleno de agua en una habitación preferentemente a oscuras; otra manera puede ser haciendo chocar dos borradores de tiza bien cargaditos y disparar el rayo a través de la nube de polvo que se genera.

Solamente, en algunas ocasiones, cuando el haz transporta una energía considerable (del orden de los miles de joules) el aire queda ionizado, pudiéndose apreciar una estela de chispas, pero jamás la luz procedente del láser mismo.

Otra cuestión que tiene que ver con el poder de un láser como arma de combate se refiere al momento lineal que poseen los fotones.

Para una partícula con masa, el momento lineal se define como el producto de ésta por la velocidad con la que se desplaza.

Pero, para los fotones, la cosa cambia, pues no tienen masa conocida. Su momento lineal se puede obtener dividiendo su energía por el valor de la velocidad de la luz o, equivalentemente, calculando el cociente entre la constante de Planck y la longitud de onda del fotón.

Si se hace esto, enseguida se puede apreciar que el momento lineal de un fotón rojo es mil billones de billones de veces más pequeño que el que posee una bala de 1 gramo que se desplaza a 1 km/s.

Cuando dos objetos colisionan, lo que hacen es modificar sus momentos lineales, fundamentalmente.

Al golpear un camión con un hueso de aceituna, el primero no suele salir demasiado mal parado.

Así, lo mismo debe suceder cuando un rayo láser procedente de una nave de combate del malvado Imperio alcanza al Halcón Milenario del cínico Han Solo.

Nunca podrá desplazarlo o inclinarlo, como se puede apreciar en una escena de “El Imperio contraataca”.

Si no me creen, prueben a peinar a alguien con la luz de una linterna. Os quedará más de “un pelo de tontos”.

Los potenciales efectos letales de los láseres tienen mucho más que ver con el calor que generan que con el impacto que producen.

En este sentido, resulta mucho más eficaz una bala.

Abrir un boquete en un cuerpo humano con un rayo láser puede requerir hasta 50.000 joules, necesarios para “quemar” piel y músculos.

El daño no se produce por golpeo, sino por los efectos derivados del intenso calor generado.

Finalmente, resta el asunto de los sables de luz de los caballeros Jedi. Resulta evidente que no se comportan como láseres, pues la luz se propaga indefinidamente y en línea recta (salvo muy raras excepciones, como al pasar cerca de un campo gravitatorio intenso).

Esto no parecen cumplirlo las espadas luminosas de los miembros del “club de amigos de la Fuerza”. Las encienden con un botoncito alojado en la empuñadura y sale un chorro deslumbrante de vivo color que sólo alcanza 1 metro, centímetro arriba, centímetro abajo.

¿Quién la tiene más larga, Luke o Vader? Lo de los dedos índice y pulgar no parece cumplirse aquí, ya que la de Yoda parece tan grande como la del maestro Windu.

Estas armas místicas más bien parecen comportarse como lo que los físicos denominamos un plasma, un gas calentado hasta temperaturas extremas (millones de grados), de tal forma que sus átomos han sido despojados de sus molestos electrones.

Ahora, las cargas positivas de los núcleos atómicos y las negativas de los electrones se comportan de forma independiente, pudiendo generar incluso campos eléctricos y magnéticos y comportándose de forma muy distinta a un gas ordinario.

Sables ,Láseres ... rayos y  centellas1
Un plasma emite luz cuando los electrones vuelven a recombinarse con los núcleos que por allí pululan, siendo el color de la misma característico de la composición particular y la temperatura del plasma.

¿Quién lo tiene más caliente, Darth Maul u Obi Wan? El problema de disponer de un plasma tiene que ver con la forma de confinarlo, ya que su temperatura destruiría por completo las paredes de un contenedor “tradicional”.

La técnica habitual es encerrarlos mediante campos magnéticos diseñados con geometrías muy definidas.

Para un sable Jedi, lo ideal sería una configuración cilíndrica. Sin embargo, aparecen problemas.

Por ejemplo, de momento, no se conoce método alguno para acortar la longitud del cilindro, tapándolo por la parte superior, evitando con ello que el plasma se derramase y abrasase la mano que lo sujeta.

Por otro lado, volvería a aparecer, al igual que con el láser, el inconveniente del tamaño enorme de la fuente de alimentación.

Otra pega tiene que ver con la intensidad del campo magnético confinador del plasma, pues su intensidad debe decrecer a medida que nos alejamos de la empuñadura.

Quizá parezca, a simple vista, buena la opción del sable doble de Darth Maul, cuyo pomo se encuentra en el medio de los dos haces.

Sin embargo, como la longitud de cada una de sus dos “hojas” parece igual de grande que la de una espada “monohaz”, simplemente, el problema parece también doble.

Para acabar, ¿cómo es que pueden chocar unas espadas con otras?

Una prueba más de que no se puede tratar de láseres y una evidencia más de que se parecen mucho más a un plasma.

Esto podría ser perfectamente creíble si los campos magnéticos con los que se confina a éste pudiesen hacerse repulsivos (no en el sentido de asquerosos, sino en el otro).

Tristemente, nuestra tecnología aún se encuentra lejos de esta posibilidad, ya que se necesitarían plasmas millones de veces más densos y decenas de veces más calientes de los que somos capaces de producir.

Así y todo, el calor en las proximidades del sable resultaría del todo insoportable. Pero ¿qué es esto para alguien que domina la Fuerza?

¿Existen láseres con la suficiente potencia como para acabar con una vida humana o con un baboso y libidinoso monstruo alienígena ávido de sexo con bellas mujeres terrícolas?

Empecemos por el principio y veamos los tipos de láser conocidos en la actualidad (pido perdón a alguno de ellos que me pudiese olvidar).

El primer láser operativo, construido por Maiman en 1960, tenía como medio activo un sólido, el rubí, y se puede incluir en la categoría de los llamados láseres de estado sólido.

Entre éstos, actualmente, uno de los más utilizados es el Nd:YAG (granate de aluminio e ytrio dopado con neodimio), que produce radiación, preferentemente, en el infrarrojo con una longitud de onda de 1060 nanómetros (milésimas de micra o milmillonésimas de metro).

Con él se han llegado a generar potencias de hasta 1 kilowatt en el modo continuo (la radiación se emite de forma continua en el tiempo) y mucho mayores en el modo pulsado (la radiación no se emite de forma continua, sino a impulsos que duran lapsos de tiempo tan cortos, que el ojo no los percibe), al superponer algunos formando un tándem.

Existen, también, láseres de rubí capaces de proporcionar potencias de gigawatts (miles de millones de watts) durante unos pocos nanosegundos.

En diciembre de 1984 el láser Nova de los laboratorios Lawrence Livermore en California, formado por diez haces simultáneos, emitió una radiación ultravioleta durante 1 nanosegundo, produciendo una energía de 18.000 joules.

Se trata de un láser de vidrio dopado con neodimio y puede focalizar hasta 120 billones de watts en un pequeño bloque de combustible nuclear para iniciar una reacción nuclear de fusión.

En 1996 se lograron pulsos de 1250 billones de watts de 580 joules durante unos breves 490 femtosegundos (milbillonésimas de segundo).

Existen, asimismo, láseres de gas, que utilizan preferentemente gases nobles (el más utilizado es el de He-Ne, que empleamos en clase para hacer demostraciones), dióxido de carbono (produce luz de 10,6 micras de longitud de onda), nitrógeno molecular (genera radiación en el ultravioleta a 337,1 nanómetros) o fluoruro de hidrógeno, entre otros.

Un láser de dióxido de carbono de unos pocos kilowatts puede ser capaz de abrir un agujero en una placa de acero de más de medio centímetro de grosor en algo menos de 10 segundos.

Otros tipos de dispositivos láser son los de semiconductores.

 Entre sus ventajas se cuentan su alta eficiencia (bajas pérdidas) y su pequeño tamaño, que puede llegar incluso a ser de las dimensiones de un grano de arena; las potencias de emisión pueden llegar a los 200 miliwatts.

Sables ,Láseres ... rayos y  centellas 3Aunque, al principio, necesitaban enfriarse a temperaturas del orden de la del nitrógeno líquido (-196 grados centígrados), en la actualidad se encuentran disponibles en el mercado y funcionan perfectamente a temperatura ambiente.

Los láseres químicos son bombeados mediante energía generada en una reacción química.

El más conocido es el láser de fluoruro de deuterio y dióxido de carbono.

Su gran ventaja es que no necesita fuente de alimentación externa, ya que la reacción entre el flúor y el deuterio produce la energía suficiente como para bombear un láser de dióxido de carbono.

Finalmente, se pueden encontrar láseres líquidos y de electrones libres; estos últimos precisan un acelerador de electrones y un potente campo magnético para desviarlos y dirigirlos adecuadamente.

A la vista de todo lo anterior parece fácil afirmar que láseres como algunos de los que hemos citado pueden ser perfectamente utilizados como armas muy poderosas.

Pero, si saben leer entre líneas, hay algunas cosas que he pasado por alto de forma deliberada o las he dejado entrever de forma muy sutil.

Me estoy refiriendo al asunto de la eficiencia, es decir, a la relación entre la energía generada por el artilugio y la energía desperdiciada o no aprovechable directamente como poder mortífero.

Verán, resulta que para que el láser funcione correctamente hay que proporcionarle algo con lo que se produzca la inversión de la población y, consecuentemente, la emisión estimulada.

 Esto se hace con una fuente de alimentación. Mucho de ese poder se pierde en forma de calor y, muy raramente, se consiguen rendimientos superiores al 25-30 %.

La consecuencia inmediata es que se precisan sistemas de refrigeración que acompañen al láser. Y aquí viene lo bueno, pues esas fuentes de alimentación y esos sistemas de refrigeración han de ser enormes.

 De hecho, la más compacta de la que disponemos actualmente tiene el tamaño aproximado de un tráiler (más de 100 metros cúbicos).

Puede que esto no sea impedimento a bordo de un destructor imperial intergaláctico o en la Estrella de la Muerte, pero sí que constituye un serio contratiempo a la hora de llevar un arma de éstas en la mano.

Uno de los láseres más poderosos con el que contamos en la Tierra es el MIRACL, capaz de generar potencias de 2,2 millones de watts y diseñado para alcanzar objetivos en el espacio. Su tamaño es descomunal.

A pesar de todo, estas armas terroríficas perderían eficacia al ser disparadas desde el espacio con la intención de destruir objetivos en tierra, ya que la radiación de un láser se ve seriamente afectada por el aire y las condiciones meteorológicas.

Si un haz suficientemente intenso atravesase la atmósfera, el aire se calentaría y se crearían turbulencias, dando lugar a áreas de altas y bajas presiones que harían desviarse al rayo.

No obstante, para aquellos de ustedes con espíritu sanguinario, un fino halo de esperanza: hasta lo anterior se puede aprovechar para diseñar un arma.

Existe en el mundo real un láser de rayos ultravioletas, el cual afecta, a su paso, al aire circundante creando una especie de túnel de iones positivos y negativos.

El láser, por si mismo, no produce daño alguno en el blanco, pero junto con él se envía una corriente eléctrica que viaja por el canal iónico anterior y que es la que le atiza una buena sacudida al objetivo.

El pequeño inconveniente es que semejante arma tiene, aún, el tamaño aproximado de una mesa de cocina.

El funcionamiento de un láser se puede describir de una forma bastante simple. Consta de un medio activo, que puede ser un sólido, un líquido o un gas. Los átomos de este medio pueden ser excitados (esto se denomina bombeo) mediante una descarga eléctrica, una pequeña explosión nuclear, una reacción química, etc.

De esta manera, se provoca que los electrones de los átomos del medio activo salten hacia los niveles energéticos superiores y decaigan de nuevo, emitiendo fotones según un proceso denominado emisión estimulada.

Debido a que, en condiciones normales, la gran mayoría de los electrones se encuentran en el estado fundamental (el de más baja energía) se lleva a cabo lo que se denomina una “inversión de población”, consistente en poblar con más electrones los niveles energéticos superiores para así facilitar la emisión de fotones.

Cuando esto se hace de forma correcta, se puede observar a la salida del dispositivo una luz brillante coherente (las crestas y los valles de las ondas que representan los fotones están perfectamente alineadas unas con otras), monocromática (de un solo color) y muy direccional (el rayo apenas se dispersa, se desvía de su trayectoria original) que la diferencia apreciablemente de la luz originada, por ejemplo, por una linterna que produce luz incoherente, policromática (de muchas longitudes de onda diferentes) y poco direccional (el haz se va abriendo a medida que se aleja de la linterna).

Sables ,Láseres ... rayos y  centellas 5Si se han fijado alguna vez en este fenómeno, habrán podido apreciar que el haz luminoso de una linterna se ensancha varios centímetros, incluso a distancias de unos pocos metros.

Con un rayo láser esto no ocurre.

De hecho, existe uno apuntando continuamente hacia la Luna y su haz no se ensancha más de 3 km a lo largo de su viaje de más de 380.000 km.

Resulta, pues, muy sencillo instalar un espejo en la superficie de nuestro satélite (como hicieron en 1969 Amstrong y Collins) y hacer que el rayo se refleje en él. Midiendo el tiempo empleado entre la salida y la llegada se determina con gran precisión la distancia entre la Tierra y la Luna.

Dependiendo de la naturaleza física del medio activo, el color de la luz láser generada puede ser elegido casi a voluntad, existiendo igualmente en la zona infrarroja, ultravioleta, entre otras, del espectro electromagnético.

Sin embargo, no todos los láseres resultan igualmente sencillos de construir y llevar a la práctica.

Un inconveniente decisivo a la hora de hacerlos operativos consiste en que, a medida que disminuye la longitud de onda elegida, el proceso de emisión estimulada (absolutamente imprescindible para que tenga lugar el efecto láser) se ve desfavorecido frente a la absorción, resultando dominante éste último, es decir, los electrones atómicos “prefieren” absorber fotones antes que emitirlos.

La consecuencia inmediata es que si se quiere construir, pongamos por caso, una terrible arma mortífera como un láser de rayos X o, peor aún, uno de rayos gamma , los problemas crecen enormemente y se requieren descomunales cantidades de energía para ponerlos en marcha.

¿Cómo se las han ingeniado, entonces, el capitán James T. Kirk, Han Solo, Luke Skywalker, Buck Rogers o Flash Gordon para poder accionar con un solo dedo armas de un poder destructor semejante?

Más aún, ¿cómo es posible un artilugio tan impresionante como el sable de luz utilizado por los caballeros Jedi?

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