- Parte 1 -
Si utiliza la tecnología existente, llevará mucho, mucho tiempo enviar científicos y astronautas en una misión interestelar. El viaje será dolorosamente largo (incluso para los estándares cósmicos). Si queremos hacer tal viaje en al menos una vida, bueno, o una generación, necesitamos medidas más radicales (léase: puramente teóricas). Y si los agujeros de gusano y los motores subespaciales son absolutamente fantásticos en este momento, durante muchos años ha habido otras ideas en las que creemos.
Planta de energía nuclear
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Una planta de energía nuclear es un "motor" teóricamente posible para viajes espaciales rápidos. El concepto fue propuesto originalmente por Stanislav Ulam en 1946, un matemático polaco-estadounidense que participó en el Proyecto Manhattan, y F. Reines y Ulam hicieron cálculos preliminares en 1947. El proyecto Orion se lanzó en 1958 y existió hasta 1963.
Dirigido por Ted Taylor de General Atomics y el físico Freeman Dyson del Instituto de Estudios Avanzados de Princeton, Orion aprovecharía el poder de las explosiones nucleares pulsadas para generar un enorme empuje con un impulso específico muy alto.
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En pocas palabras, el Proyecto Orion incluye una gran nave espacial que gana velocidad al soportar ojivas termonucleares, expulsar bombas por detrás y acelerar cuando una onda expansiva escapa hacia un empujador montado en la parte trasera, un panel de empuje. Después de cada empujón, la fuerza de la explosión es absorbida por este panel y se convierte en movimiento hacia adelante.
Aunque este diseño es poco elegante para los estándares modernos, la ventaja del concepto es que proporciona un alto empuje específico, es decir, extrae la máxima cantidad de energía de una fuente de combustible (en este caso, bombas nucleares) a un costo mínimo. Además, este concepto teóricamente puede acelerar velocidades muy altas, según algunas estimaciones, hasta un 5% de la velocidad de la luz (5,4 x 107 km / h).
Por supuesto, este proyecto tiene desventajas inevitables. Por un lado, un barco de este tamaño sería extremadamente caro de construir. En 1968, Dyson estimó que la nave espacial Orion, impulsada por bombas de hidrógeno, pesaría entre 400.000 y 4.000.000 de toneladas métricas. Y al menos tres cuartas partes de ese peso provendrán de bombas nucleares, cada una con un peso de una tonelada.
La estimación conservadora de Dyson mostró que el costo total de la construcción de Orion habría sido de $ 367 mil millones. Ajustado a la inflación, esta cantidad es de 2,5 billones de dólares, que es bastante. Incluso con las estimaciones más conservadoras, el dispositivo será extremadamente caro de fabricar.
También hay un pequeño problema de radiación que emitirá, sin mencionar los desechos nucleares. Se cree que fue por esta razón que el proyecto fue cancelado bajo el tratado de prohibición parcial de ensayos de 1963, cuando los gobiernos del mundo buscaron limitar los ensayos nucleares y detener la liberación excesiva de lluvia radiactiva a la atmósfera del planeta.
Cohetes de fusión nuclear
Otra posibilidad de utilizar la energía nuclear son las reacciones termonucleares para generar empuje. Bajo este concepto, la energía debe ser creada por confinamiento inercial encendiendo pellets de una mezcla de deuterio y helio-3 en una cámara de reacción utilizando haces de electrones (similar a lo que se hace en el Complejo Nacional de Ignición en California). Tal reactor de fusión detonaría 250 gránulos por segundo, creando un plasma de alta energía, que luego sería redirigido a una boquilla, creando empuje.
Como un cohete que depende de un reactor nuclear, este concepto tiene ventajas en términos de eficiencia de combustible e impulso específico. La velocidad estimada debería alcanzar los 10.600 km / h, muy por encima de los límites de velocidad de los cohetes convencionales. Además, esta tecnología ha sido ampliamente estudiada durante las últimas décadas y se han hecho muchas propuestas.
Por ejemplo, entre 1973 y 1978, la Sociedad Interplanetaria Británica llevó a cabo un estudio de viabilidad para el Proyecto Daedalus. Basándose en el conocimiento y la tecnología modernos de la fusión termonuclear, los científicos pidieron la construcción de una sonda científica no tripulada de dos etapas que pudiera alcanzar la estrella de Barnard (a 5,9 años luz de la Tierra) durante el lapso de una vida humana.
La primera etapa, la más grande de las dos, duraría 2,05 años y aceleraría la nave al 7,1% de la velocidad de la luz. Luego se descarta esta etapa, se enciende la segunda y el aparato acelera al 12% de la velocidad de la luz en 1.8 años. Luego, el motor de la segunda etapa se apaga y el barco ha estado volando durante 46 años.
El Proyecto Daedalus estima que la misión tardaría 50 años en llegar a Barnard's Star. Si llega a Proxima Centauri, el mismo barco llegará en 36 años. Pero, por supuesto, el proyecto incluye muchos problemas sin resolver, en particular que no se pueden resolver con el uso de tecnologías modernas, y la mayoría de ellos aún no se han resuelto.
Por ejemplo, prácticamente no hay helio-3 en la Tierra, lo que significa que tendrá que extraerse en otro lugar (muy probablemente en la Luna). En segundo lugar, la reacción que impulsa la nave requiere que la energía emitida sea mucho mayor que la energía gastada para desencadenar la reacción. Y aunque los experimentos en la Tierra ya han superado el "punto de equilibrio", todavía estamos lejos de la cantidad de energía que puede impulsar un vehículo interestelar.
En tercer lugar, queda la cuestión del costo de tal buque. Incluso para los modestos estándares de un vehículo no tripulado del Proyecto Daedalus, un vehículo totalmente equipado pesaría 60.000 toneladas. Para que lo sepas, el peso bruto del SLS de la NASA es de poco más de 30 toneladas métricas, y el lanzamiento solo costará $ 5 mil millones (estimaciones de 2013).
En resumen, un cohete de fusión no solo será demasiado caro de construir, sino que también requerirá un nivel de reactor de fusión mucho más allá de nuestras capacidades. Icarus Interstellar, una organización internacional de científicos civiles (algunos de los cuales han trabajado para la NASA o la ESA), está tratando de revitalizar el concepto con el Proyecto Ícaro. El grupo reunido en 2009 espera hacer posible el movimiento de fusión (y otros) en el futuro previsible.
Estatorreactor termonuclear
También conocido como estatorreactor Bussard, el motor fue propuesto por primera vez por el físico Robert Bussard en 1960. En esencia, es una mejora del cohete termonuclear estándar, que utiliza campos magnéticos para comprimir el combustible de hidrógeno hasta el punto de fusión. Pero en el caso de un motor estatorreactor, un enorme embudo electromagnético succiona hidrógeno del medio interestelar y lo vierte en el reactor como combustible.
A medida que el vehículo gana velocidad, la masa reactiva entra en el campo magnético de confinamiento, que lo comprime antes de que comience la fusión. El campo magnético luego dirige la energía hacia la boquilla del cohete, acelerando la nave. Dado que ningún tanque de combustible lo ralentizará, un estatorreactor termonuclear puede alcanzar velocidades del orden del 4% de la luz e ir a cualquier parte de la galaxia.
Sin embargo, esta misión tiene muchas posibles desventajas. Por ejemplo, el problema de la fricción. La nave espacial depende de altas tasas de recolección de combustible, pero también chocará con grandes cantidades de hidrógeno interestelar y perderá velocidad, especialmente en regiones densas de la galaxia. En segundo lugar, no hay mucho deuterio y tritio (que se utilizan en los reactores de la Tierra) en el espacio, y la síntesis de hidrógeno ordinario, que es abundante en el espacio, aún está fuera de nuestro control.
Sin embargo, la ciencia ficción ha llegado a amar este concepto. El ejemplo más famoso es quizás la franquicia de Star Trek, que utiliza los coleccionistas Bussard. En realidad, nuestra comprensión de los reactores de fusión no es tan perfecta como nos gustaría.
Vela láser
Las velas solares se han considerado durante mucho tiempo una forma eficaz de conquistar el sistema solar. Además de ser relativamente simples y baratos de fabricar, tienen una gran ventaja: no necesitan combustible. En lugar de utilizar cohetes que necesitan combustible, la vela utiliza la presión de la radiación de las estrellas para impulsar espejos ultradelgados a altas velocidades.
Sin embargo, en el caso de un vuelo interestelar, dicha vela tendría que ser impulsada por haces de energía enfocados (láser o microondas) para acelerar a una velocidad cercana a la de la luz. El concepto fue propuesto por primera vez por Robert Forward en 1984, un físico del Hughes Aircraft Laboratory.
Su idea conserva las ventajas de una vela solar en el sentido de que no requiere combustible a bordo y también de que la energía láser no se dispersa a distancia de la misma forma que la radiación solar. Por lo tanto, mientras que la vela láser tardará algún tiempo en acelerar hasta la velocidad cercana a la de la luz, posteriormente estará limitada únicamente por la velocidad de la luz misma.
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Según un estudio de 2000 realizado por Robert Frisbee, director de investigación de propulsión avanzada en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA, una vela láser alcanzaría la mitad de la velocidad de la luz en menos de diez años. También calculó que una vela con un diámetro de 320 kilómetros podría llegar a Proxima Centauri en 12 años. Mientras tanto, una vela de 965 kilómetros de diámetro llegará en tan solo 9 años.
Sin embargo, dicha vela deberá construirse con materiales compuestos avanzados para evitar que se derrita. Lo cual será especialmente difícil dado el tamaño de la vela. El costo es aún peor. Según Frisbee, los láseres necesitarán un flujo constante de 17.000 teravatios de energía, aproximadamente la cantidad que consume el mundo entero en un día.
Motor de antimateria
Los amantes de la ciencia ficción saben muy bien qué es la antimateria. Pero si lo olvidó, la antimateria es una sustancia formada por partículas que tienen la misma masa que las partículas ordinarias, pero con la carga opuesta. Un motor de antimateria es un motor hipotético que se basa en interacciones entre la materia y la antimateria para generar energía o crear empuje.
En resumen, un motor de antimateria utiliza partículas de hidrógeno y antihidrógeno que chocan entre sí. La energía liberada en el proceso de aniquilación es comparable en volumen a la energía de la explosión de una bomba termonuclear acompañada de una corriente de partículas subatómicas: piones y muones. Estas partículas, que viajan a un tercio de la velocidad de la luz, se redirigen hacia la boquilla magnética y generan empuje.
La ventaja de esta clase de cohetes es que la mayor parte de la masa de la mezcla de materia / antimateria se puede convertir en energía, lo que proporciona una alta densidad de energía y un impulso específico que es superior a cualquier otro cohete. Además, la reacción de aniquilación puede acelerar el cohete a la mitad de la velocidad de la luz.
Esta clase de misiles será la más rápida y la más eficiente en energía posible (o imposible, pero propuesta). Si los cohetes químicos convencionales requieren toneladas de combustible para propulsar una nave espacial a su destino, un motor de antimateria hará el mismo trabajo usando unos pocos miligramos de combustible. La destrucción mutua de medio kilogramo de partículas de hidrógeno y antihidrógeno libera más energía que una bomba de hidrógeno de 10 megatones.
Es por esta razón que el Instituto de Conceptos Avanzados de la NASA está investigando esta tecnología como sea posible para futuras misiones a Marte. Desafortunadamente, al mirar las misiones a los sistemas estelares cercanos, la cantidad de combustible necesaria crece exponencialmente y los costos se vuelven astronómicos (y esto no es un juego de palabras).
Según un informe preparado para la 39a Conferencia y Exhibición Conjunta de Propulsión AIAA / ASME / SAE / ASEE, un cohete de antimateria de dos etapas requerirá más de 815,000 toneladas métricas de combustible para alcanzar Proxima Centauri en 40 años. Es relativamente rapido. Pero el precio …
Aunque un gramo de antimateria produce una cantidad increíble de energía, producir solo un gramo requeriría 25 millones de billones de kilovatios-hora de energía y equivaldría a un billón de dólares. Actualmente, la cantidad total de antimateria que han creado los humanos es menos de 20 nanogramos.
E incluso si pudiéramos producir antimateria a bajo precio, necesitaríamos una nave masiva que pudiera contener la cantidad requerida de combustible. Según un informe del Dr. Darrell Smith y Jonathan Webby de la Universidad de Aviación Embry-Riddle en Arizona, una nave interestelar impulsada por antimateria podría alcanzar la velocidad de la luz 0,5 y llegar a Proxima Centauri en poco más de 8 años. Sin embargo, el barco en sí pesaría 400 toneladas y requeriría 170 toneladas de combustible de antimateria.
Una posible forma de evitar esto es crear un recipiente que cree antimateria y luego lo use como combustible. Este concepto, conocido como el Sistema Explorador Interestelar del Cohete de Vacío a Antimateria (VARIES), fue propuesto por Richard Obausi de Icarus Interstellar. Sobre la base de la idea del reprocesamiento in situ, VARIES utilizaría grandes láseres (alimentados por enormes paneles solares) para crear partículas de antimateria cuando se dispararan al espacio vacío.
Similar al concepto con un estatorreactor termonuclear, esta propuesta resuelve el problema del transporte de combustible extrayéndolo directamente del espacio. Pero, nuevamente, el costo de un barco de este tipo será extremadamente alto si se construye con nuestros métodos modernos. Simplemente no podemos crear antimateria a gran escala. El problema de la radiación también debe abordarse, ya que la aniquilación de materia y antimateria produce explosiones de rayos gamma de alta energía.
No solo suponen un peligro para la tripulación, sino también para el motor, por lo que no se deshacen en partículas subatómicas bajo la influencia de toda esta radiación. En resumen, un motor de antimateria es completamente impráctico con nuestra tecnología actual.
Alcubierre Warp Drive
Los amantes de la ciencia ficción están sin duda familiarizados con el concepto de impulso warp (o impulso Alcubierre). Propuesta por el físico mexicano Miguel Alcubierre en 1994, esta idea fue un intento de imaginar el movimiento instantáneo en el espacio sin violar la teoría especial de la relatividad de Einstein. En resumen, este concepto implica estirar el tejido del espacio-tiempo en una onda, lo que teóricamente haría que el espacio frente al objeto se contrajera y detrás de él se expandiera.
Un objeto dentro de esta onda (nuestra nave) podrá cabalgar sobre esta onda, estando en una "burbuja de deformación", a una velocidad mucho mayor que la relativista. Dado que la nave no se mueve en la burbuja en sí, sino que es llevada por ella, no se violarán las leyes de la relatividad y el espacio-tiempo. De hecho, este método no implica un movimiento más rápido que la velocidad de la luz en el sentido local.
Es "más rápido que la luz" sólo en el sentido de que la nave puede llegar a su destino más rápido que un rayo de luz que viaja fuera de la burbuja warp. Suponiendo que la nave espacial estará equipada con el sistema Alcubierre, llegará a Proxima Centauri en menos de 4 años. Por lo tanto, si hablamos de viajes espaciales interestelares teóricos, esta es, con mucho, la tecnología más prometedora en términos de velocidad.
Por supuesto, todo este concepto es extremadamente controvertido. Los argumentos en contra, por ejemplo, incluyen que no tiene en cuenta la mecánica cuántica y puede ser refutado por una teoría del todo (como la gravedad cuántica de bucles). Los cálculos de la cantidad de energía requerida también mostraron que el impulso warp sería prohibitivamente voraz. Otras incertidumbres incluyen la seguridad de dicho sistema, los efectos espacio-temporales en el destino y las violaciones de causalidad.
Sin embargo, en 2012, el científico de la NASA Harold White dijo que él y sus colegas comenzaron a explorar la posibilidad de crear el motor Alcubierre. White afirmó que han construido un interferómetro que capturará las distorsiones espaciales producidas por la expansión y contracción del espacio-tiempo de la métrica de Alcubierre.
En 2013, el Laboratorio de Propulsión a Chorro publicó los resultados de las pruebas de campo de deformación, que se llevaron a cabo en condiciones de vacío. Desafortunadamente, los resultados se consideraron "inconclusos". A largo plazo, podemos encontrar que la métrica de Alcubierre viola una o más leyes fundamentales de la naturaleza. E incluso si su física resulta ser correcta, no hay garantía de que el sistema Alcubierre pueda usarse para volar.
En general, todo es como de costumbre: naciste demasiado pronto para viajar a la estrella más cercana. Sin embargo, si la humanidad siente la necesidad de construir un "arca interestelar" que albergará una sociedad humana autosuficiente, se necesitarán cien años para llegar a Proxima Centauri. Si, por supuesto, queremos invertir en tal evento.
En términos de tiempo, todos los métodos disponibles parecen extremadamente limitados. Y si pasamos cientos de miles de años viajando a la estrella más cercana, podemos ser de poco interés cuando nuestra propia supervivencia está en juego, a medida que avanza la tecnología espacial, los métodos seguirán siendo extremadamente imprácticos. Para cuando nuestra arca llegue a la estrella más cercana, sus tecnologías se volverán obsoletas y la humanidad misma puede que ya no exista.
Entonces, a menos que logremos un gran avance en la tecnología de fusión, antimateria o láser, estaremos contentos con explorar nuestro propio sistema solar.
Basado en materiales de Universe Today
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