una espectacular racha fue tomada desde el Hangar AF en la Estación de la Fuerza Aérea de Cabo Cañaveral, con una nave de recuperación de cohetes sólidos en primer plano. Durante toda nuestra historia en la Tierra, la única forma en que hemos llegado al espacio es a través del uso de combustibles químicos.
NASA
Durante el tiempo que los seres humanos han estado observando el cielo nocturno, hemos soñado con visitar otros mundos y ver verdaderamente lo que hay en el Universo. Mientras que nuestros cohetes basados en químicos nos han llevado a una miríada de planetas, lunas y otros cuerpos en el Sistema Solar, la nave espacial más lejana jamás lanzada por la humanidad, el Voyager 1, está a solo 22,3 mil millones de kilómetros (13,9 mil millones de millas) de la Tierra: solo el 0,056% de la distancia al sistema estelar más cercano conocido. Con la tecnología actual, se necesitarían cerca de 100.000 años para viajar a otro sistema estelar.
Pero no hay necesidad de limitarnos a hacer las cosas de la forma en que las estamos haciendo en este momento. Con la tecnología adecuada, podríamos mejorar enormemente la eficiencia de obtener una gran masa de carga útil, tal vez incluso una que transportara humanos a bordo, a distancias sin precedentes a través del Universo. En particular, hay cuatro tecnologías que tienen el potencial de llevarnos a las estrellas en escalas de tiempo mucho más cortas. He aquí cómo.
en 1967. Este cohete es impulsado por la conversión de Masa / Energía, y está respaldado por la famosa ecuación E=mc^2. Aunque este concepto nunca ha llevado a un cohete exitoso, podría ser el futuro de los viajes espaciales interestelares.
Motor de cohete nuclear experimental ECF (Motor experimental de flujo en frío), NASA, 1967
1.) La opción nuclear. En este momento de la historia de la humanidad, cada cohete que hemos lanzado al espacio tiene una cosa en común: ha sido propulsado por combustible químico. Sí, el combustible para cohetes es una mezcla especial de combustibles químicos diseñada para maximizar el empuje, pero la parte del «combustible químico» es muy importante: afirma que las reacciones que lo alimentan dependen de la reorganización de los enlaces entre varios átomos para proporcionar energía.
¡Esto es fundamentalmente limitante! Para un átomo, la abrumadora mayoría de su masa está en el núcleo del átomo: 99,95%. Cuando estás participando en una reacción química, los electrones que orbitan los átomos se reorganizan, liberando típicamente alrededor del 0,0001% de la masa total de los átomos involucrados en forma de energía, a través de la famosa ecuación de Einstein: E = mc2. Eso significa que, por cada 1 kilogramo de combustible con el que cargues tu cohete, solo obtendrás el equivalente de energía de algún lugar en el estadio de 1 miligramo de masa de la reacción.
son el primer paso para aumentar la energía de los rayos láser a medida que se dirigen hacia la cámara objetivo. El NIF logró recientemente un disparo de 500 teravatios, 1.000 veces más potencia de la que usa Estados Unidos en cualquier momento. La fusión nuclear es miles de veces más eficiente que cualquier reacción basada en productos químicos.
Damien Jemison / LLNL
Pero si optaste por un combustible nuclear, esa historia cambia drásticamente. En lugar de depender de cambiar cómo se configuran los electrones y cómo se unen los átomos, se podrían liberar cantidades comparativamente enormes de energía alterando la forma en que los propios núcleos atómicos están unidos entre sí. Cuando se divide un átomo de uranio bombardeándolo con un neutrón, emite una enorme cantidad de energía en comparación con cualquier reacción basada en productos químicos: 1 kilogramo de combustible U-235 puede liberar el equivalente de energía de 911 miligramos de masa, un factor de ~1000 veces más eficiente que los combustibles basados en productos químicos.
Si en su lugar domináramos la fusión nuclear, como con un sistema de fusión de confinamiento inercial que fuera capaz de fusionar hidrógeno en helio, la misma reacción en cadena que tiene lugar en el Sol, podríamos ser aún más eficientes. La fusión de 1 kilogramo de combustible de hidrógeno en helio convertiría 7,5 gramos de masa en energía pura, lo que la hace casi 10.000 veces más eficiente que los combustibles basados en productos químicos.
La clave es que podríamos lograr las mismas aceleraciones para un cohete durante períodos de tiempo mucho más largos: cientos o incluso miles de veces más, lo que nos permite alcanzar velocidades cientos o miles de veces mayores que las que alcanzan hoy los cohetes convencionales. Podría reducir el tiempo de viaje interestelar a solo siglos o incluso décadas. Es una vía prometedora que podría ser alcanzable, dependiendo de cómo se desarrolle la tecnología, antes de que lleguemos al año 2100.
conjunto de láser que golpea y acelera una nave espacial de baja masa y área relativamente grande. Esto tiene el potencial de acelerar objetos no vivos a velocidades que se acercan a la velocidad de la luz, haciendo posible un viaje interestelar dentro de una sola vida humana.©2016 UCSB Grupo de Cosmología Experimental
2.) Un conjunto de láser basado en el espacio. Esta fue la idea principal detrás del concepto «Breakthrough Starshot» que ganó notoriedad hace unos años, y sigue siendo un concepto emocionante. Mientras que las naves espaciales convencionales se basan en llevar su propio combustible a bordo y gastarlo para autoacelerarse, la idea clave en juego aquí es que un conjunto de láser grande y de alta potencia proporcionaría el empuje necesario a una nave espacial externa. En otras palabras, la fuente del empuje estaría separada de la propia nave espacial.
Este es un concepto fascinante y revolucionario en muchos sentidos. La tecnología láser se está volviendo con éxito no solo más poderosa, sino también más altamente colimada, lo que significa que si podemos diseñar un material similar a una vela que pueda reflejar un porcentaje suficientemente alto de esa luz láser, podríamos usar esa explosión láser para acelerar una nave espacial a velocidades tremendas lejos de la fuente de nuestro conjunto. Un «fragmento de estrella» de ~1 gramo de masa podría posiblemente alcanzar ~20% de la velocidad de la luz, lo que le permitiría llegar a Próxima Centauri, nuestra estrella más cercana, en solo 22 años.
starship, tiene el potencial de acelerar una nave espacial a aproximadamente un 20% de la velocidad de la luz y alcanzar otra estrella dentro de una vida humana. Es posible que, con suficiente potencia, incluso podamos enviar una nave espacial con tripulación para cubrir las distancias interestelares.
Avance Starshot
Seguro, tendríamos que construir un enorme láser matriz: unos 100 kilómetros cuadrados de láseres, y tendríamos que hacerlo en el espacio, pero ese es un problema de costo, no de ciencia o tecnología. Pero hay problemas tecnológicos que se deben superar para que esto funcione, incluyendo:
- una vela sin soporte comenzará a girar, y requiere algún tipo de mecanismo estabilizador (sin desarrollar),
- el hecho de que no hay forma de desacelerar una vez que llegue a su destino, ya que no hay combustible a bordo,
- e incluso si pudiera escalar para transportar humanos, las aceleraciones serían demasiado grandes, lo que requeriría un gran cambio de velocidad en un corto tiempo, para que un humano sobreviva.
Esta tecnología podría, tal vez, algún día llevarnos a las estrellas, pero un plan exitoso para llevar a los humanos hasta un ~20% de la velocidad de la luz aún no ha salido.
de energía pura es una reacción completamente reversible (derecha), con la materia/antimateria aniquilándose de nuevo a energía pura. Sabemos cómo crear y destruir antimateria, usando la materia junto con ella para recuperar energía pura en una forma utilizable, como los fotones.
Dmitri Pogosian / Universidad de Alberta
3.) Combustible antimateria. Si vamos a llevar combustible con nosotros, podríamos convertirlo en el combustible más eficiente posible: aniquilaciones de materia y antimateria. En lugar de combustibles basados en productos químicos o incluso nucleares, donde solo una parte de la masa traída a bordo se convierte en energía, una aniquilación de materia y antimateria convertiría el 100% de la masa de materia y antimateria en energía. Esto es lo último en eficiencia para el combustible: la perspectiva de convertir todo en energía que podría ser utilizada para el empuje.
La dificultad viene solo en la práctica, y en particular, en tres frentes:
- la creación de antimateria estable y neutra,
- la capacidad de aislarla de la materia normal y controlarla con precisión,
- y producirla en cantidades lo suficientemente grandes como para que pueda ser útil para viajes interestelares.
De manera emocionante, los dos primeros desafíos ya se están superando.
las partículas cargadas de antimateria se unen y pueden formar iones positivos, átomos neutros o iones negativos, dependiendo del número de positrones que se unen con un antiprotón. Si logramos capturar y almacenar antimateria, representaría una fuente de combustible 100% eficiente, pero se requerirían muchas toneladas de antimateria, a diferencia de las pequeñas fracciones de gramo que hemos creado, para un viaje interestelar.
E. Siegel
En el CERN, el hogar del Gran Colisionador de Hadrones, hay un enorme complejo conocido como» la fábrica de antimateria», donde al menos seis equipos separados están investigando las diversas propiedades de la antimateria. Toman antiprotones y los ralentizan, obligando a los positrones a unirse a ellos: creando antiatomos, o antimateria neutra.
Confinan estos antiatomos en un recipiente con campos eléctricos y magnéticos alternos, que los fijan efectivamente en su lugar, lejos de las paredes del contenedor que están hechas de materia. En este momento, a mediados de 2020, han aislado y mantenido estables varios antiátomos durante casi una hora al mismo tiempo. En algún momento en los próximos años, serán lo suficientemente buenos en esto como para poder medir, por primera vez, si la antimateria cae hacia arriba o hacia abajo en un campo gravitacional.
No es necesariamente una tecnología a corto plazo, pero podría terminar siendo nuestro medio más rápido de viaje interestelar de todos: un cohete impulsado por antimateria.
combustible, pero si se creó un motor de materia oscura, siempre se encontrará combustible nuevo simplemente viajando a través de la galaxia. Debido a que la materia oscura no interactúa con la materia normal (en su mayoría), sino que pasa a través de ella, no tendría ninguna dificultad para recogerla en un volumen específico del espacio; siempre estaría allí mientras se movía a través de la galaxia.
NASA / MSFC
4.) Una nave espacial propulsada por materia oscura. Este, es cierto, se basa en una suposición sobre cualquier partícula responsable de la materia oscura: que se comporta como un bosón, convirtiéndolo en su propia antipartícula. En teoría, la materia oscura que es su propia antipartícula tendrá una probabilidad pequeña pero no nula de aniquilarse con cualquier otra partícula de materia oscura con la que choque, liberando energía que podríamos aprovechar en el proceso.
Hay alguna evidencia potencial para esto, ya que no solo se observa que la Vía Láctea, sino también otras galaxias, tienen un exceso inexplicable de rayos gamma que provienen de sus centros galácticos, donde la densidad de materia oscura debería ser mayor. Siempre es posible que haya una explicación astrofísica mundana para esto, como los púlsares, pero también es posible que la materia oscura se esté aniquilando consigo misma en los centros de las galaxias, planteando una posibilidad increíble: una nave espacial alimentada con materia oscura.
halo de materia oscura enorme y difuso, lo que indica que debe haber materia oscura fluyendo a través del sistema solar. Aunque todavía tenemos que detectar la materia oscura directamente, su abundante presencia en toda nuestra galaxia y más allá podría proporcionar una receta perfecta para el combustible de cohete perfecto imaginable.
Robert Caldwell & Marc Kamionkowski Nature 458, 587-589 (2009)
La ventaja de esto es que la materia oscura está literalmente en todas partes de la galaxia, lo que significa que no necesitaríamos llevar combustible con nosotros en un viaje a dondequiera que fuéramos. En cambio, un «reactor» de materia oscura podría simplemente:
- tomar cualquier materia oscura que pase dentro de ella,
- facilitar su aniquilación o dejar que se aniquile naturalmente,
- y redirigir el escape para lograr empuje en la dirección que deseáramos,
y podríamos controlar el tamaño y la magnitud del reactor para lograr los resultados deseados.
Sin la necesidad de llevar combustible a bordo, muchos de los problemas de los viajes espaciales impulsados por la propulsión se convertirían en problemas. En su lugar, podríamos lograr el sueño final de viajar: aceleración constante ilimitada. Desde la perspectiva de la propia nave espacial, esto abriría una de las posibilidades más imaginativas de todas, la capacidad de llegar a cualquier lugar del Universo dentro de una sola vida humana.
destino si se acelera a una velocidad constante de la gravedad de la superficie de la Tierra. Ten en cuenta que, con suficiente tiempo a una aceleración de 1g, puedes llegar a cualquier lugar del Universo en una sola vida humana.
P. Fraundorf en Wikipedia
Si nos limitamos a la tecnología de cohetes actual, tomará decenas de miles de años, como mínimo, completar un viaje desde la Tierra hasta el sistema solar más cercano más allá del nuestro. Pero los enormes avances en las tecnologías de propulsión están al alcance de la mano, y podrían reducir ese viaje a una sola vida humana. Si podemos dominar el uso de combustible nuclear, de matrices de láser de tierra espacial, de antimateria, o incluso de materia oscura, podríamos realizar nuestro sueño de convertirnos en una civilización espacial sin invocar tecnologías que rompen la física, como el impulso warp.
Hay múltiples vías potenciales para convertir lo que ya se ha demostrado como científicamente válido en una tecnología de propulsión factible, viable y de próxima generación. Para finales de siglo, es absolutamente posible que una nave espacial que aún no ha sido diseñada alcance Nuevos Horizontes, las misiones Pioneer y Voyager como los objetos más distantes de la Tierra. La ciencia ya está ahí. Depende de nosotros mirar más allá de las limitaciones de nuestras tecnologías actuales y hacer realidad este sueño.
Sígueme en Twitter. Echa un vistazo a mi sitio web o a algunos de mis otros trabajos aquí. Carga