Viajar a las estrellas (I)

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Acaba de salir publicado mi libro Exoplanetas para la colección Un paseo por el Cosmos de RBA. Uno de los capítulos que escribí para el primer borrador acabó descolgándose del texto final. No quiero que se pierda como lágrimas en la lluvia, así que os lo incluyo a continuación en los siguientes dos artículos (este es el primero). Tomadlos como un anexo a la Versión del Director. Que lo disfrutéis.

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VIAJAR A LAS ESTRELLAS – Parte 1

Los exoplanetas se encuentran a grandes distancias, mucho más lejos de lo que un ser humano podría viajar. Aun así, los humanos no se resignarán a permanecer confinados en su propio sistema planetario. Las propias leyes de la Física imponen límites a la posibilidad de viajar a otras estrellas, pero hay otras opciones.

Descubrir la existencia y propiedades de mundos extrasolares tiene una gran interés para los científicos. pero su importancia se extiende mucho más allá. Las sociedades humanas, con apenas excepciones, han atendido siempre la llamada a expandirse por todo tipo de territorios en busca de espacio vital. Parece que se trata de algo consustancial al ser humano. Buscamos tierras de cultivo, recursos minerales, puertos naturales, territorios para colonizar, enclaves militares estratégicos. En el proceso algunas naciones prosperan más que otras, pero el resultado general es una expansión de la raza humana.

Hemos colonizado todos los continentes, hemos establecido colonias en la Antártida y en órbita terrestre baja. La siguiente frontera es el espacio. En las últimas décadas hemos desplegado un buen número de sondas interplanetarias, paso previo antes de la exploración tripulada. Ya hay planes para colonizar mundos en nuestro propio sistema solar y para explotar los recursos minerales de asteroides y cometas cercanos. Más cerca de casa, la Luna nos brinda una estación espacial natural en la que podemos extraer recursos como helio-3 y donde podemos establecer bases de exploración.

Tarde o temprano el hombre saldrá de su pequeña isla planetaria y colonizará el archipiélago que forma el Sistema Solar. Después de eso se plantearán dos alternativas: o bien la humanidad se contenta con ocupar su propio sistema planetario y nada más, o bien dará el gran salto a la búsqueda de nuevos mundos en otras estrellas. La primera alternativa es poco probable, dado el impuso natural que tenemos por seguir ampliando horizontes. En cuanto a la segunda, plantea problemas de enorme dificultad.

Resulta difícil comprender la enormidad del espacio entre las estrellas. En tiempos de Felipe II la mayoría de las personas tenían su movilidad limitada a pocos kilómetros por los medios de transporte de la época. El galeón de Filipinas unía dicho archipiélago con la Península una vez al año, recorriendo una distancia mil veces superior a la que una persona podía recorrer a pie o a caballo en un solo día. En la actualidad, la sonda New Horizons se dirige al exterior de nuestro Sistema Solar tras estudiar Plutón, un cuerpo situado a 6.000 millones de kilómetros de la Tierra que tardó nueve años en alcanzar. Es una de las sondas más rápidas jamás lanzadas por el hombre, pero a pesar de eso tardaría unos 300.000 años en llegar a la estrella más cercana a la nuestra. Las distancias interplanetarias se miden en millones de kilómetros, las interestelares se miden en millones de millones.

Podemos diseñar naves más avanzadas y veloces. La duración de un viaje desde Filipinas hasta España se ha reducido del año que requería en el siglo XVII a apenas un día en la actualidad, y si hubiese incentivos económicos podría hacerse incluso en menos tiempo. El problema es que los viajes espaciales se parecen muy poco a los vuelos de avión. Una nave espacial es como una bola de billar, lanzada con gran precisión para llegar a su objetivo. Los ingenieros espaciales utilizan los planetas como ayuda gravitacional para poder desviar la sonda a donde interese y en el proceso la velocidad puede aumentar, pero ese efecto tiene sus límites.

Intentemos dotar a nuestra nave espacial de un poderoso motor y una gran cantidad de combustible. ¿Viajará así más rápido? La respuesta es sí, pero por desgracia la Física actúa en contra de los viajeros. La única forma que tenemos de propulsarnos está basada en la Tercera Ley de Newton: si queremos avanzar tenemos que dejar algo atrás. Para que una nave espacial avance tiene que llevar algo que pueda arrojar hacia atrás, como los gases de combustión del cohete. Ahora bien, si queremos viajar más rápido la cantidad de combustible necesario aumenta de forma exponencial: duplicar la velocidad requiere mucho más del doble de combustible.

Para aumentar la velocidad de una nave espacial, una de las cosas que pueden hacerse es elevar la velocidad de salida de los gases de combustión. Eso puede lograrse sustituyendo el motor clásico, en el que sustancias químicas reaccionan y salen del cohete a gran velocidad, por un motor iónico donde las partículas cargadas eléctricamente son aceleradas por un campo eléctrico. La velocidad de las partículas expulsadas por el cohete es mucho mayor, y también lo será la velocidad final de la nave.

Los primeros prototipos de motor iónico fueron probados por la NASA en la década de los sesenta y han sido usados con éxito en la sonda Dawn que fue enviada para estudiar los asteroides Vesta y Ceres. El motor iónico que la impulsa por el espacio es muy lento en términos absolutos, y su empuje es tan pequeño que la aceleración que produce es equivalente a pasar de 0 a 100 km/h en cuatro días. A su favor cuenta con una mayor eficiencia que un motor convencional, lo que se traduce en un menor consumo de material de propulsión, y su menor empuje es compensado de sobra por su mayor tiempo de funcionamiento.

Más allá del motor químico o el iónico, un cohete propulsado mediante energía nuclear proporcionaría un empuje muy alto, permitiendo a la nave alcanzar velocidades muy altas. Existen diversos proyectos en los tableros de diseño esperando un apoyo presupuestario masivo para convertirse en alternativas viables. Los actuales viajes de exploración del Sistema Solar no precisan de motores nucleares, pero el salto a las estrellas será una empresa con necesidades muy distintas.

Buscando métodos para mejorar la eficiencia de futuras naves interestelares, los ingenieros han dado con una solución eficaz: no acarrear combustible. Eso se puede hacer de diversas formas. Una opción consiste en desplegar una gigantesca y finísima vela solar, capaz de captar los fotones emitidos por el Sol. Los fotones son partículas que carecen de masa en reposo pero pueden transportar momento lineal, o como se decía antiguamente, “cantidad de movimiento.” Cuando impactan contra una superficie, como la de una vela, pueden transmitir parte de su momento linean a ésta, actuando de forma similar al viento sobre una vela terrestre. También puede usarse la luz de un láser de alta potencia disparado desde el punto de origen del viaje.

Una interesante alternativa, propuesta en los años sesenta por el físico norteamericano Robert Bussard, se basa en el hecho de que el vacío del espacio interestelar no está realmente vacío. Bussard imaginó un gigantesco colector formado por un campo magnético que recogería los átomos de hidrógeno desperdigados por el espacio. Ese hidrógeno podría ser usado como fuente de energía (mediante fusión termonuclear) y como sustancia arrojadiza. La idea cuenta con un serio inconveniente: el hidrógeno que va siendo recogido se encuentra prácticamente en reposo, y al colisionar con la nave crearía en esta un efecto de frenado.

Pero las enormes distancias interestelares hace que incluso los más eficientes y veloces sistemas de propulsión se encuentren con limitaciones impuestas por las propias leyes de la naturaleza. La primera proviene de la Teoría de la Relatividad de Einstein: nada puede viajar más rápido que la luz en el vacío. Se trata de una velocidad tan alta que a escala humana parece infinita porque no suelen abundar los casos en que podamos notar el retardo. Las comunicaciones por radio y televisión en nuestro mundo son prácticamente instantáneas, y los medios de transporte más veloces a nuestra disposición viajan a apenas una fracción de la velocidad de la luz, cuyo valor suele representarse mediante la letra c.

El efecto de c finito comienza a manifestarse en los vuelos interplanetarios. Cuando los ingenieros de la NASA o la ESA controlan una sonda espacial han de asumir que pasarán horas entre la transmisión de una orden y su recepción, lo que dificulta el control desde tierra. Cuando en julio de 2015 la sonda New Horizons pasó por Plutón, la señal de “todo en orden” que envió tardó casi cuatro horas y media en llegar a la Tierra; para entonces la sonda había avanzado casi un cuarto de millón de kilómetros. A tales distancias no se puede establecer una comunicación en tiempo real y por ese motivo la lista de instrucciones de la New Horizons estaba programada de antemano.

La situación empeora al salir del Sistema Solar. La estrella más cercana a nuestro sol, Próxima Centauri, se hallan a unos 4,22 años-luz de nosotros. Incluso viajando a la velocidad de la luz tardaríamos más de cuatro años en llegar a ella. Algunas de las estrellas de nuestros cielos se encuentran mucho más lejos. Polaris, la estrella polar, que indica el Norte a los marineros de nuestros mares, se encuentra a 434 años-luz, lo que significa que la luz que nos llega ahora de ella abandonó su superficie cuando el reinado de Felipe II estaba en su apogeo.

La segunda limitación es de índole matemática. Acelerar un objeto hasta alcanzar una velocidad próxima a la de la luz requiere una gran cantidad de energía. Para llevar una moneda de un euro desde el reposo a una velocidad de 0,9c necesitaríamos todo el suministro energético de una central nuclear durante diez días; la factura rondaría los treinta millones de euros. Y aumentar la velocidad será cada vez más difícil. Un objeto necesita tanta energía para pasar del reposo a una velocidad de 0,9c como para subir esa velocidad de 0,9c a 0,96c. Rozar la velocidad de la luz se hace prohibitivo. Lástima, porque viajar a altísimas velocidades tiene un efecto positivo para los viajeros: el tiempo viaja más despacio para ellos. Un viaje a Próxima Centauri a 0,99c tardaría unos cuatro años según el cómputo de la Tierrra, pero para los viajeros solamente habrían transcurrido siete meses. Se trata del efecto de dilatación temporal descrito por la Relatividad de Einstein.


6 Comentarios

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Offler

Sacando mi vertiente “trekkie” , estamos hablando de propulsión “newtoniana” : Si queremos avanzar tenemos que dejar algo atrás

Sé que sólo podemos contar con lo que conocemos, no especular con tecnologías y conocimientos futuros (aunque un motor de fusión es también hoy ciencia ficción), así que no pretenderé que un día tengamos taquiones, velocidad warp, hiperespacio, teletransporte, etc. Recursos televisivos para hacer posibles situaciones imposibles.

Ni siquiera las naves generacionales me parecen muy plausibles.

Mi primera duda es si viajando a 0,96 o 0,99c realmente viajaríamos nosotros o nuestros átomos. Quiero decir que creo necesitaríamos convertir masa en energía. ¿Hasta que velocidad podría realmente viajar una nave manteniéndose integra ella y su tripulación? Ese, y no la velocidad de la luz, será nuestro verdadero límite, ¿no?

Luego , puesto que para Newton hemos de dejar algo si queremos propulsarnos, y ya vemos que eso hace inviable el viaje … y sabemos que Newton es práctico, pero Einstein es real … parece que la solución tenga que venir más de manipular el espacio-tiempo que no de conseguir un impulso. Algo como la propuesta de surfear en una ola de espacio-tiempo de Miguel de Alcubierre, mientras estamos en una burbuja de física newtoniana. Si, si, todo lo que sea manipular espacio-tiempo es ciencia-ficción … lo sé :(

Por último ,La gravedad es la fuerza que menos entendemos. La detectamos y la medimos, pero no sabemos porqué ocurre, y es la única fuerza de la que se desconoce otra opuesta (siempre atrae). Hoy por hoy la antigravedad sólo existe para los timadores, pero “estaría bien” que encontráramos la manera de ser “repulsados” o “atraidos” a nuestra voluntad de otras masas, y pudiéramos movernos sin tener que dejar nada atrás (y ya la repanocha si pudiéramos intensificar cuanto nos atrae o repele otra masa). Idas de olla mías… que aunque sé las limitaciones me gustaría que fuera posible.

Offler

Como me ha salido corto mi comentario anterior 😀 diré algo sobre mi opinión de las naves generacionales.

Yo no me embarcaría hoy en una nave que sé que llegará dentro de 25 generaciones, cuando creo que dentro de una o dos generaciones podemos tener una tecnología superior.

Pensar que si hay suerte unos descendientes de humanos (que llevan 25 generaciones en unas condiciones ambientales muy diferentes, con limitaciones, sin saber hacia donde habrán derivado sus creencias, si habrán tenido accidentes o averías, etc) llegarán a su destino, y quizás se encuentren que hace 10 generaciones que llegaron otras naves más rápidas, cómodas, etc. … no lo veo.

Esto no es como Star Trek que te desvias para bajar a un planeta clase Minshara para reabastecer tus reservas de dilitio. Tampoco la nave habrá reparado todas sus mamparas exteriores en el siguiente capítulo tras haber colisionado con un asteroide.

Claro, si puedes llegar a un sitio en 50 años es “planteable” , y si te encuentras a alguien que llego 10 años antes pues … que putada (Como Amudsen y Scott). Pero pasar de una generación a otra repetidamente con un objetivo que dentro de muchas generaciones (si aún sobreviven) será algo parecido a un mito es peor que encerrar a un hijo dentro de un bunker para que salga dentro de 50 años y se salve de la guerra total nuclear.

Eso por no hablar de lo que supone llevar alimentos, combustible, etc. para llegar al punto más cercano que supongas habitable sin saber lo que vas a encontrar.

Orbatos

Este tema entra quizás mas en el campo de la sociología que la astronautica. ¿Llenaremos el sistema solar? Posiblemente si, y sencillamente a medida que eso sea económicamente viable y rentable. Dudo que sea algo rápido a menos que en un par de generaciones desarrollemos sistemas nuevos para salir de nuestro pozo de gravedad, y a partir de ahí las cosas cambian claro.

Las dificultades son enormes. Se habla alegremente de “estaciones espaciales” sin pensar en las masas necesarias para ello. La Luna debería de ser un primer escalón simplemente porque si se establece una colonia (obviamente empezaría con fines comerciales, como el Helio 3) se pude refinar metales y otros compuestos y lanzarlos a una fracción del coste.

Pero eso no es algo sencillo. La creación de entornos artificiales, ya sea en la Luna, en órbita o en cualquier otro lado requiere una inmensa variedad de materias, compuestos y manufacturas que en ocasiones son tremendamente complejas. A veces sonroja ver como la gente hace una novela donde “una colonia lugar de unos miles de habitantes se independiza”… si claro, tendrán sus propias fabricas de componentes electronicos de todo tipo, materiales y plasticos, etc… sencillito.

Si contáramos la cantidad de empresas y personas que están detrás de algo tan “pequeño” como la ISS sería posiblemente para temblar. No hablo ya de su infraestructura de lanzamientos y fabricación, sino de quien suministra a esas empresas herramientas, suministros, etc.

Y no, no creo que montar una colonia por ejemplo en Marte sea como hacerla en Kansas o en la Antartida. En la Antartida necesitas una serie de suministros críticos, pero en Marte… bueno, ahí casi TODO es critico. Y eso vale para todo lo demás.

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¿Hasta que velocidad podría realmente viajar una nave manteniéndose integra ella y su tripulación? Ese, y no la velocidad de la luz, será nuestro verdadero límite, ¿no?

El problema nunca será la velocidad, sino la aceleración. Mientras esté por debajo de 4g es absolutamente seguro.
Una nave que vaya a una velocidad de 0,99c, sin acelerar ni frenar, estará bajo la influencia de una terrorífica fuerza de… exactamente 0 Newtons. La percepción, y los efectos sobre el cuerpo, de los tripulantes será exactamente la misma que la de los astronautas de la ISS, o la misma de estar en un coche aparcado (si decíamos el efecto de la gravedad terrestre).
Eso sí, si entiendo bien la Relatividad Especial de Einstein, la nave se verá muy, muy achatada desde la Tierra ;-D (y nuestro sistema solar, muy, muy achatado desde la nave).

Arturo, gran entrada. Ahora mismo voy a leer la segunda parte. Sin embargo, también me gustaría puntualizar / preguntar algo. Dices:

Polaris, la estrella polar, que indica el Norte a los marineros de nuestros mares, se encuentra a 434 años-luz, lo que significa que la luz que nos llega ahora de ella abandonó su superficie cuando el reinado de Felipe II estaba en su apogeo.

Éste es un tipo de afirmación muy común al hablar de distancias astronómicas, y no es que me parezca incorrecto hacerlas, pero… ¿Hasta qué punto se puede considerar válida? Lo que quiero decir es que, según la Relatividad, los sucesos simultáneos no existen (excepto en el caso trivial de que ocurran exactamente en el mismo punto del espacio). La salida de la luz de Polaris hace 434 años, por un lado, y el reinado de Felipe II aquí en la Tierra, por otro, están separados por una distancia tan grande (y el uno fuera del cono de causalidad del otro, respectivamente) que para diferentes observadores (con velocidades muy dispares) uno de los eventos habrá sucedido mucho antes que el otro, y viceversa. ¿Estoy muy equivocado?

Un saludo!

Miguel EspinosaMiguel Espinosa

Lo que ocurre es que la conexión causal entre los eventos en Polaris y los eventos en la Tierra viene con “retardo”, puesto que un observador en Polaris que observara la Tierra hace 434 años no se encontraría con Felipe II, sino con los primeros reyes hispanos más relacionados con los godos que con Felipe II (pido disculpas por las inexactitudes, no estoy muy al tanto de la historia hispana).
Y si Polaris hubiese sufrido un brillo repentino al mismo momento de lo que en la Tierra fue el día previo a la coronación del rey, este no habría sido observado por los astrólogos del monarca, sino por los astrónomos actuales; otra prueba de la falsedad de las predicciones astrológicas XD.

DavidDavid

Llegar a 0,99c para ir a proxima b, guay, pero cual New Horizon que no fue capturada por la órbita de Plutón, y siguió su camino en el kuipper belt, cuanta energía haría falta para decelerar y caer en el pozo, por lo menos de próxima (estrella)?

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