La Estrella de la Muerte es un arma colosal del tamaño de una buena luna. Disparando a quemarropa al indefenso planeta de Alderaan, la patria de la princesa Leia, la Estrella de la Muerte lo destruye por completo. El planeta desaparece en las llamas de una explosión titánica, esparciendo escombros por todo el sistema solar. Mil millones de almas gritan simultáneamente de agonía, provocando una indignación en la Fuerza que se siente en cualquier parte de la galaxia.
Pero, ¿es realmente posible un arma como la Estrella de la Muerte de la película Star Wars? ¿Es posible organizar y dirigir una batería de cañones láser para que como resultado un planeta entero se evapore? ¿Qué pasa con los famosos sables de luz que empuñaban Luke Skywalker y Darth Vader, que son un rayo de luz pero pueden cortar fácilmente el acero blindado? ¿Se convertirán las pistolas de rayos, como los phasers en Star Trek, el arma adecuada para las futuras generaciones de fuerzas del orden y soldados?
Los nuevos, originales y asombrosos efectos especiales de Star Wars causaron una impresión convincente en millones de espectadores, pero los críticos tenían una opinión diferente. Algunos de ellos argumentaron que sí, por supuesto, los cineastas intentaron sinceramente entretener al espectador, pero de hecho, esas cosas son completamente imposibles. Los críticos no se cansan de repetir como un encantamiento: cañones de rayos del tamaño de la luna, capaces de volar un planeta entero en pequeños pedazos, es algo inaudito; las espadas de un rayo de luz que solidifica repentinamente también son imposibles. Todo esto es demasiado incluso para una galaxia distante y distante. Esta vez, George Lucas, el aclamado maestro de los efectos especiales, patinó un poco.
Puede ser difícil de creer, pero una cantidad ilimitada de energía se puede "meter" en un rayo de luz; no hay limitaciones físicas. La creación de una Estrella de la Muerte o un sable de luz no contradice ninguna ley de la física. Además, en la naturaleza existen rayos de radiación gamma capaces de hacer estallar el planeta. Un estallido titánico de radiación, generado por una fuente misteriosa distante de estallidos de rayos gamma, es capaz de crear una explosión en el espacio profundo, solo superada por el Big Bang en poder. Cualquier planeta que se las arregle para estar a la vista de tal "arma" en realidad será frito o hecho pedazos.
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Haz armas en la historia
El sueño de aprovechar la energía de la radiación no es realmente nuevo en absoluto; sus raíces se remontan a la religión y la mitología antiguas. El dios griego Zeus es famoso por disparar rayos a los mortales. El dios del norte, Thor, empuñaba un martillo mágico, Mjellnir, capaz de arrojar rayos, y el dios hindú Indra disparó un rayo de energía con una lanza mágica.
La idea del rayo como arma práctica real apareció por primera vez en las obras del gran matemático griego Arquímedes, quizás el mayor científico de la antigüedad, que logró desarrollar su propia versión del cálculo diferencial primitivo dos mil años antes que Newton y Leibniz. Se cree que en la legendaria batalla del 214 a. C. contra las tropas del general romano Marcelo durante la Segunda Guerra Púnica, Arquímedes, ayudando a defender el reino de Siracusa, construyó una gran batería de reflectores solares, enfocó los rayos del sol en las velas de los barcos enemigos y así les prendió fuego. (Los científicos todavía están debatiendo si un arma de rayos de este tipo realmente podría funcionar; varios grupos de científicos han intentado, con resultados variables, replicar este logro).
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Las pistolas de rayos llegaron a las páginas de la ciencia ficción en 1889 con el clásico War of the Worlds de HG Wells. En esta novela, los extraterrestres de Marte destruyeron ciudades enteras al dirigir rayos de energía térmica de cañones montados en sus trípodes hacia ellos. Durante la Segunda Guerra Mundial, los nazis, siempre dispuestos a investigar y adoptar los últimos avances tecnológicos con el fin de utilizarlos para conquistar el mundo, también experimentaron con varios tipos de pistolas de rayos, incluidos dispositivos acústicos que enfocaban potentes rayos de sonido mediante espejos parabólicos.
El arma, que es un rayo de luz enfocado, capturó la imaginación del público después del lanzamiento de la película de James Bond Goldfinger; fue la primera película de Hollywood en presentar un láser. (En él, el legendario espía británico estaba atado a una mesa de metal, y un poderoso rayo láser se acercó lentamente a él, derritiendo gradualmente la mesa entre sus piernas y amenazando con cortar al héroe por la mitad).
Inicialmente, los físicos solo se rieron de la idea de las pistolas de rayos, expresada en la novela de Wells, porque tales pistolas violaban las leyes conocidas de la óptica. Según las ecuaciones de Maxwell, la luz que vemos a nuestro alrededor es incoherente (es decir, es un revoltijo de ondas con diferentes frecuencias y fases) y se dispersa rápidamente. Alguna vez se creyó que un rayo de luz uniforme, enfocado y coherente, como un rayo láser, era imposible de lograr.
Revolución cuántica
Todo cambió después del advenimiento de la teoría cuántica. Ya a principios del siglo XX. Quedó claro que, aunque las leyes de Newton y las ecuaciones de Maxwell describen con mucho éxito el movimiento de los planetas y el comportamiento de la luz, hay toda una clase de fenómenos que no pueden explicar. Lamentablemente, no dijeron nada sobre por qué los materiales conducen electricidad, por qué los metales se derriten a ciertas temperaturas, por qué los gases emiten luz cuando se calientan, por qué algunas sustancias se vuelven superconductoras a bajas temperaturas. Para responder a cualquiera de estas preguntas, debe comprender la dinámica interna de los átomos. La revolución está madura. La física newtoniana, después de 250 años de dominación, esperaba su derrocamiento; al mismo tiempo, el colapso del antiguo ídolo presagiaría el comienzo de los dolores de parto de la nueva física.
En 1900, Max Planck en Alemania sugirió que la energía no es continua, como creía Newton, sino que existe en forma de pequeñas "porciones" discretas llamadas "cuantos". Luego, en 1905, Einstein postuló que la luz también se compone de estos pequeños paquetes discretos (o cuantos), más tarde llamados fotones. Con esta idea simple pero poderosa, Einstein pudo explicar el efecto fotoeléctrico, es decir, por qué los metales, cuando se irradian con luz, emiten electrones. En la actualidad, el efecto fotoeléctrico y el fotón son la base de la televisión, los láseres, los paneles solares y gran parte de la electrónica moderna. (La teoría del fotón de Einstein fue tan revolucionaria que incluso Max Planck, que por lo general apoyaba fervientemente a Einstein, al principio no podía creer en ella.que a veces falla … como, por ejemplo, hizo con la hipótesis de los cuantos de luz, uno no puede, en conciencia, culparlo ".)
Luego, en 1913, el físico danés Niels Bohr nos dio una imagen completamente nueva del átomo; El átomo de Bohr se parecía a un sistema solar en miniatura. Pero, a diferencia del sistema solar real, los electrones de un átomo pueden moverse alrededor del núcleo solo dentro de órbitas o capas discretas. Cuando un electrón "salta" de una capa a otra, que está más cerca del núcleo y tiene menos energía, emite un fotón de energía. Por el contrario, cuando un electrón absorbe un fotón con cierta energía, "salta" más alto, a una capa que está más lejos del núcleo y tiene más energía.
En 1925, con el advenimiento de la mecánica cuántica y el trabajo revolucionario de Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg y muchos otros, nació una teoría casi completa del átomo. Según la teoría cuántica, un electrón era una partícula, pero también tenía una onda asociada, lo que le daba tanto las propiedades de una partícula como de una onda. Esta onda obedecía a la llamada ecuación de onda de Schrödinger, que permitía calcular las propiedades del átomo, incluyendo todos los "saltos" de electrones postulados por Bohr.
Hasta 1925, los átomos se consideraban objetos misteriosos; muchos, como el filósofo Ernst Mach, no creían en absoluto en su existencia. Después de 1925, el hombre tuvo la oportunidad no solo de mirar en profundidad la dinámica del átomo, sino también de predecir sus propiedades con bastante fiabilidad. Sorprendentemente, esto significó que con una computadora suficientemente poderosa a mano, se podrían deducir las propiedades de los elementos químicos directamente de las leyes de la teoría cuántica. Así como la física newtoniana, con una máquina informática suficientemente grande, permitiría a los científicos calcular el movimiento de todos los cuerpos celestes del universo, la física cuántica, según los científicos, permitió en principio calcular todas las propiedades de los elementos químicos del universo sin excepción. Además, disponer de un ordenador suficientemente potente,se podría componer la función de onda completa de un ser humano.
Masers y láseres
En 1953, el profesor Charles Townes de la Universidad de California en Berkeley, junto con sus colegas, logró obtener el primer haz de radiación coherente, a saber, microondas. El dispositivo recibió el nombre de maser (maser, después de las primeras letras de las palabras de la frase "amplificación de microondas mediante emisión estimulada de radiación", es decir, "amplificación de microondas mediante estimulación de radiación"). Posteriormente, en 1964, Townes, junto con los físicos rusos Nikolai Basov y Alexander Prokhorov recibió el Premio Nobel. Pronto, los resultados de los científicos se extendieron a la luz visible. Nació el láser. (El phaser, por otro lado, es un dispositivo fantástico que se hizo famoso por Star Trek).
La base del láser es un medio especial que realmente transmitirá el rayo láser; puede ser un gas, cristal o diodo especial. Luego, debe bombear energía a este entorno desde el exterior, utilizando electricidad, ondas de radio, luz o una reacción química. La afluencia inesperada de energía excita los átomos en el medio, lo que hace que los electrones absorban energía y salten a las capas exteriores de mayor energía.
En un estado de bombeo tan excitado, el medio se vuelve inestable. Si, después de eso, se dirige un rayo de luz a través de él, los fotones del rayo, al chocar con los átomos, provocarán una descarga repentina de electrones a órbitas más bajas y la liberación de fotones adicionales. Estos fotones, a su vez, harán que aún más electrones emitan fotones, y pronto comenzará una reacción en cadena de átomos que "colapsarán" a un estado no excitado con la liberación casi simultánea de una gran cantidad de fotones, trillones y trillones de ellos, todos en el mismo haz. La característica fundamental de este proceso es que en algunas sustancias, con una liberación similar a una avalancha, todos los fotones vibran al unísono, es decir, son coherentes.
(Imagínese fichas de dominó alineadas en una fila. En el estado de energía más bajo, cada nudillo descansa plano sobre la mesa. En el estado de alta energía, inflado, los nudillos se mantienen erguidos, como los átomos inflados de un medio. Al presionar un nudillo, puede provocar una liberación simultánea repentina de toda esta energía, al igual que lo mismo que sucede con el nacimiento de un rayo láser.)
Solo unos pocos materiales pueden trabajar en un láser; esto significa que solo en sustancias especiales cuando un fotón choca con un átomo excitado, se emite un fotón coherente con el primero. Esta propiedad de la materia lleva al hecho de que todos los fotones en la corriente emergente vibran al unísono, creando un rayo láser delgado. (Contrariamente a la leyenda popular, el rayo láser no siempre permanece tan delgado como al principio. Por ejemplo, un rayo láser disparado hacia la Luna se expandirá gradualmente a lo largo del camino y dará un punto de varios kilómetros a través de la superficie de la Luna).
Un láser de gas simple es un tubo lleno de una mezcla de helio y neón. Cuando la electricidad pasa a través del tubo, los átomos absorben energía y se excitan. Entonces, si hay una liberación repentina de toda la energía almacenada en el gas, nace un rayo de luz coherente. Este rayo se amplifica mediante dos espejos instalados en ambos extremos del tubo, de modo que el rayo se refleja desde ellos a su vez y se precipita a lo largo del tubo de lado a lado. Uno de los espejos es completamente opaco, pero el otro transmite una pequeña fracción de la luz incidente sobre él, liberando así el rayo hacia afuera.
Hoy en día, los láseres se pueden encontrar en todas partes: en la caja registradora del supermercado, en el cable de fibra óptica que le da acceso a Internet, en una impresora láser o reproductor de CD y en una computadora moderna. Los láseres se utilizan en cirugía ocular, eliminación de tatuajes e incluso en salones de belleza. En 2004, los láseres se vendieron en todo el mundo por más de 5.400 millones de dólares.
Tipos de láseres y sus características
Casi todos los días se descubren nuevos láseres; por regla general, estamos hablando del descubrimiento de una nueva sustancia que puede funcionar en un láser, o de la invención de un nuevo método para bombear energía al fluido de trabajo.
La pregunta es, ¿son estas tecnologías adecuadas para fabricar pistolas de rayos o sables de luz? ¿Puedes construir un láser lo suficientemente grande como para alimentar la Estrella de la Muerte? Hoy en día existe una asombrosa variedad de láseres que pueden clasificarse según el material del fluido de trabajo y la forma en que se bombea la energía (podría ser electricidad, un potente haz de luz, incluso una explosión química). Enumeramos varios tipos de láseres.
• Láseres de gas. Esta categoría también incluye los láseres de helio-neón extremadamente comunes, que producen un haz rojo muy familiar. Se bombean con ondas de radio o electricidad. Los láseres de helio-neón son de baja potencia. Pero los láseres de gas de dióxido de carbono se pueden utilizar para operaciones de voladura, para cortar y fundir metales en la industria pesada; son capaces de emitir un rayo extremadamente potente y completamente invisible;
• Láseres químicos. Estos potentes láseres se cargan mediante reacciones químicas como la combustión de etileno y trifluoruro de nitrógeno NF3. Estos láseres son lo suficientemente potentes para usarse en el campo militar. En los Estados Unidos, el principio químico de bombeo se utiliza en láseres de combate aéreo y terrestre capaces de entregar un haz de energía de millones de vatios y diseñado para derribar misiles de corto alcance en vuelo.
• Láseres excímeros. Estos láseres también obtienen su energía de una reacción química, que generalmente involucra un gas inerte (es decir, argón, criptón o xenón) y algún tipo de fluoruro o cloruro. Emiten luz ultravioleta y se pueden usar en la industria electrónica para grabar pequeños transistores en chips semiconductores y en cirugía ocular para delicadas operaciones Lasik.
• Láseres semiconductores. Los diodos que usamos tan ampliamente en todo tipo de dispositivos electrónicos pueden producir potentes rayos láser que se utilizan en las industrias de corte y soldadura. Estos mismos láseres semiconductores también funcionan en cajas registradoras, leyendo códigos de barras de los productos elegidos.
• Láseres de tinte. Estos láseres utilizan tintes orgánicos como medio de trabajo. Son extremadamente útiles para generar pulsos de luz ultracortos, que a menudo son del orden de una billonésima de segundo.
¿Láseres y pistolas de rayos?
Dada la gran variedad de láseres comerciales y el poder de los láseres militares, es difícil no preguntarse por qué no tenemos pistolas de rayos y cañones que se puedan utilizar en el campo de batalla. En las películas de ciencia ficción, las pistolas de rayos y pistolas de un tipo u otro suelen ser las armas más comunes y familiares. ¿Por qué no estamos trabajando para crear tal arma?
La respuesta simple a esta pregunta es que no tenemos suficientes fuentes de energía portátiles. Esto no es una bagatela. Las armas de haz requerirían baterías en miniatura del tamaño de una palma, pero que igualen la potencia de una enorme planta de energía. Actualmente, la única forma de obtener la energía de una gran planta de energía para su uso es construir una. Y el dispositivo militar más pequeño que puede servir como contenedor para tales energías es una bomba de hidrógeno en miniatura que, desafortunadamente, puede destruir no solo al objetivo, sino a usted mismo.
También hay un segundo problema: la estabilidad de la sustancia emisora o fluido de trabajo. En teoría, no hay límite para la cantidad de energía que se puede bombear a un láser. Pero el problema es que el cuerpo funcional de una pistola láser de mano sería inestable. Los láseres de cristal, por ejemplo, se sobrecalientan y se agrietan si inyecta demasiada energía en ellos. En consecuencia, crear un láser extremadamente poderoso, uno que podría vaporizar un objeto o neutralizar a un enemigo, podría requerir energía explosiva. En este caso, naturalmente, ya no se puede pensar en la estabilidad del fluido de trabajo, porque nuestro láser será desechable.
Los problemas con el desarrollo de fuentes de energía portátiles y materiales emisores estables hacen imposible la existencia de pistolas de rayos con el estado actual de la técnica. En general, puede crear una pistola de rayos solo si le lleva un cable de una fuente de alimentación. Quizás con el uso de la nanotecnología, algún día podamos crear baterías en miniatura que puedan almacenar o generar energía que sería suficiente para crear ráfagas poderosas, un atributo necesario de las armas láser de mano. En la actualidad, como ya hemos visto, la nanotecnología está en pañales. Sí, los científicos han logrado crear a nivel atómico algunos dispositivos, muy ingeniosos, pero completamente imprácticos, como el ábaco atómico o la guitarra atómica. Pero bien puede suceder que ¿qué más en esto o, digamos,En el próximo siglo, la nanotecnología nos proporcionará baterías en miniatura para almacenar cantidades fabulosas de energía.
Los sables de luz tienen el mismo problema. Con el lanzamiento de Star Wars en 1970, los sables de luz de juguete se convirtieron en un éxito instantáneo entre los niños. Muchos críticos consideraron su deber señalar que en realidad tales dispositivos son imposibles. Primero, la luz no se puede solidificar. La luz se mueve a la velocidad de la luz, por lo que es imposible solidificarla. En segundo lugar, un rayo de luz no puede cortarse abruptamente en el espacio, como hacen los sables de luz en Star Wars. El rayo de luz no se puede detener, siempre está en movimiento; un sable de luz real iría muy lejos en el cielo.
De hecho, hay una forma de hacer una especie de sable de luz con plasma o gas ionizado sobrecalentado. Si el plasma se calienta lo suficiente, brillará en la oscuridad y cortará acero, por cierto, también. Un sable de luz de plasma podría ser un tubo telescópico delgado que se extiende desde un mango.
El plasma caliente se libera en el tubo desde el mango, que luego sale a través de pequeños orificios a lo largo de toda la "hoja". El plasma se eleva desde la empuñadura a lo largo de la hoja y sale a un cilindro largo y brillante de gas sobrecalentado, lo suficientemente caliente como para derretir el acero. Este dispositivo a veces se denomina soplete de plasma.
Por lo tanto, podemos crear un dispositivo de alta energía que se parezca a un sable de luz. Pero aquí, como en la situación con las pistolas de rayos, primero tendrás que adquirir una potente batería portátil. Entonces, o usa la nanotecnología para crear una batería en miniatura que puede suministrar a su sable de luz una enorme cantidad de energía, o tiene que conectarlo a una fuente de alimentación con un cable largo.
Entonces, mientras que las pistolas de rayos y los sables de luz todavía se pueden fabricar de alguna forma hoy en día, las armas de mano que vemos en las películas de ciencia ficción no son posibles con el estado del arte. Pero más adelante en este siglo, o quizás en el próximo, el desarrollo de la ciencia de los materiales y la nanotecnología bien puede conducir a la creación de uno u otro tipo de arma de rayos, lo que nos permite definirlo como una imposibilidad de Clase I.
Energía para la Estrella de la Muerte
Para construir la Estrella de la Muerte, un cañón láser capaz de destruir un planeta entero y traer terror a la galaxia, como se muestra en Star Wars, debes crear el láser más poderoso que puedas imaginar. Actualmente, los láseres más potentes de la Tierra probablemente se utilizan para obtener temperaturas que en la naturaleza solo se pueden encontrar en los núcleos de las estrellas. Quizás estos láseres y los reactores de fusión basados en ellos algún día nos ayuden en la Tierra a aprovechar la energía estelar.
En los reactores de fusión, los científicos están intentando reproducir los procesos que tienen lugar en el espacio durante la formación de una estrella. Al principio, la estrella aparece como una enorme bola de hidrógeno sin formar. Entonces las fuerzas gravitacionales comprimen el gas y, por tanto, lo calientan; gradualmente la temperatura interior alcanza valores astronómicos. Por ejemplo, en lo profundo del corazón de una estrella, la temperatura puede subir de 50 a 100 millones de grados. Hace suficiente calor para que los núcleos de hidrógeno se peguen; en este caso, aparecen núcleos de helio y se libera energía. En el proceso de fusión de helio a partir de hidrógeno, una pequeña parte de la masa se convierte en energía de acuerdo con la famosa fórmula de Einstein E = mc2. Esta es la fuente de la que la estrella extrae su energía.
Actualmente, los científicos están tratando de aprovechar la energía de la fusión nuclear de dos maneras. Ambos caminos resultaron ser mucho más difíciles de implementar de lo que se pensaba.
Confinamiento inercial para fusión láser
El primer método se basa en el llamado confinamiento inercial. Con la ayuda de los láseres más potentes de la Tierra, se crea artificialmente una parte del sol en el laboratorio. El láser de vidrio de neodimio de estado sólido es ideal para reproducir las temperaturas más altas que se encuentran solo en los núcleos estelares. El experimento utiliza sistemas láser del tamaño de una buena fábrica; una batería de láseres en tal sistema dispara una serie de rayos paralelos en un túnel largo. Estos potentes rayos láser se reflejan luego en un sistema de pequeños espejos montados alrededor del volumen esférico. Los espejos enfocan con precisión todos los rayos láser, dirigiéndolos hacia una pequeña bola de material rico en hidrógeno (como el deuteruro de litio, el ingrediente activo de una bomba de hidrógeno). Los científicos suelen utilizar una bola del tamaño de la cabeza de un alfiler y pesan sólo unos 10 mg.
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El destello láser calienta instantáneamente la superficie de la bola, lo que hace que la capa superior de la sustancia se evapore y la bola colapse bruscamente. Se "colapsa", y la onda de choque resultante alcanza su centro y hace que la temperatura dentro de la bola salte a millones de grados, el nivel necesario para la fusión de los núcleos de hidrógeno para formar núcleos de helio. La temperatura y la presión alcanzan valores tan astronómicos que se cumple el criterio de Lawson, el mismo que también se cumple en los núcleos de estrellas y en las explosiones de bombas de hidrógeno. (El criterio de Lawson establece que se deben alcanzar ciertos niveles de temperatura, densidad y tiempo de retención para desencadenar una reacción de fusión termonuclear en una bomba de hidrógeno, una estrella o un reactor).
En el proceso de fusión termonuclear de confinamiento inercial, se libera una gran cantidad de energía, incluso en forma de neutrones. (La temperatura del deuteruro de litio puede alcanzar los 100 millones de grados Celsius, y la densidad es veinte veces mayor que la del plomo). Hay un estallido de radiación de neutrones de la bola. Los neutrones caen en una "capa" esférica de materia que rodea la cámara del reactor y la calientan. Luego, el calor resultante se usa para hervir agua, y el vapor ya se puede usar para hacer girar la turbina y generar electricidad.
El problema, sin embargo, es enfocar los rayos de alta energía y esparcir su radiación uniformemente sobre la superficie de la pequeña bola. El primer gran intento de fusión láser fue Shiva, un sistema láser de veinte haces construido en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) y lanzado en 1978 (Shiva es la diosa de múltiples brazos del panteón hindú, que recuerda a un sistema láser de múltiples haces). "Shiva" resultó ser desalentador; sin embargo, con su ayuda, fue posible demostrar que la fusión termonuclear láser es técnicamente posible. Más tarde, el "Shiva" fue reemplazado por el láser "Nova", que superó diez veces al "Shiva" en poder. Pero el "Nova" no pudo proporcionar el encendido adecuado de la bola de hidrógeno. Sin embargo,Ambos sistemas allanaron el camino para la investigación específica en la nueva Instalación Nacional de Encendido (NIF), cuya construcción comenzó en LLNL en 1997.
Se espera que el NIF comience a funcionar en 2009. Esta monstruosa máquina es una batería de 192 láseres, que producen una enorme potencia de 700 billones de vatios en un pulso corto (la producción total de aproximadamente 70.000 grandes unidades de energía nuclear). Es un sistema láser de última generación diseñado específicamente para la fusión completa de bolas saturadas de hidrógeno. (Los críticos también señalan su obvia importancia militar; después de todo, tal sistema es capaz de simular el proceso de detonación de una bomba de hidrógeno; tal vez creará un nuevo tipo de arma nuclear: una bomba basada únicamente en el proceso de fusión, que ya no requiere una carga atómica de uranio o plutonio para detonar.)
Pero incluso el sistema NIF, diseñado para asegurar el proceso de fusión termonuclear e incorporando los láseres más poderosos de la Tierra, no puede ni remotamente compararse en poder con el poder destructivo de la Estrella de la Muerte, que conocemos de Star Wars. Para crear un dispositivo de este tipo, tendremos que buscar otras fuentes de energía.
Confinamiento magnético para fusión
El segundo método que los científicos podrían utilizar en principio para energizar Death Rides se conoce como confinamiento magnético, el proceso mediante el cual un plasma de hidrógeno caliente se mantiene en su lugar mediante un campo magnético.
Este método, muy posiblemente, servirá como prototipo para los primeros reactores termonucleares comerciales. Actualmente, el proyecto más avanzado de este tipo es el Reactor Termonuclear Experimental Internacional (ITER). En 2006, varios países (incluidos la Unión Europea, Estados Unidos, China, Japón, Corea, Rusia e India) decidieron construir un reactor de este tipo en Cadarache, en el sur de Francia. En él, el hidrógeno debe calentarse hasta 100 millones de grados Celsius. Es posible que ITER se convierta en el primer reactor de fusión de la historia que podrá producir más energía de la que consume. Está diseñado para producir 500 MW de potencia en 500 segundos (el récord actual es de 16 MW en un segundo). Está previsto que el primer plasma se produzca en ITER en 2016,y la instalación estará en pleno funcionamiento en 2022. El proyecto tiene un valor de $ 12 mil millones y es el tercer proyecto científico más caro de la historia (después del Proyecto Manhattan y la Estación Espacial Internacional).
En apariencia, la instalación del ITER parece una gran dona, trenzada desde el exterior con enormes anillos de bobinado eléctrico; el hidrógeno circula dentro de la rosquilla. El devanado se enfría a un estado de superconductividad y luego se bombea una gran cantidad de electricidad, creando un campo magnético que retiene el plasma dentro de la rosquilla. Cuando una corriente eléctrica pasa directamente a través de la rosquilla, el gas en su interior se calienta a temperaturas estelares.
La razón por la que los científicos están tan interesados en el proyecto ITER es simple: a largo plazo, promete crear fuentes de energía baratas. Los reactores de fusión se alimentan de agua de mar común, rica en hidrógeno. Resulta, al menos sobre el papel, que la fusión termonuclear puede proporcionarnos una fuente de energía barata e inagotable.
Entonces, ¿por qué no tenemos todavía reactores de fusión? ¿Por qué ya han pasado varias décadas, desde el momento en la década de 1950? Se desarrolló un diagrama de proceso, ¿no podemos obtener resultados reales? El problema es que es increíblemente difícil comprimir el combustible de hidrógeno de manera uniforme. En los núcleos de las estrellas, la gravedad obliga al hidrógeno a adoptar una forma esférica ideal, como resultado de lo cual el gas se calienta de manera limpia y uniforme.
La fusión termonuclear láser en el NIF requiere que los rayos láser que encienden la superficie de la bola de hidrógeno sean exactamente los mismos, y esto es extremadamente difícil de lograr. En instalaciones con confinamiento magnético juega un papel importante el hecho de que el campo magnético tenga polos norte y sur; como resultado, es extremadamente difícil comprimir el gas uniformemente en la esfera correcta.
Lo mejor que podemos crear es un campo magnético en forma de rosquilla. Pero el proceso de comprimir un gas es como apretar un globo en tus manos. Cada vez que aprietas la bola desde un extremo, el aire la empuja hacia otro lugar. Comprimir la pelota de manera simultánea y uniforme en todas las direcciones no es una tarea fácil. El gas caliente generalmente se escapa de la botella magnética; tarde o temprano llega a las paredes del reactor y el proceso de fusión termonuclear se detiene. Por eso es tan difícil comprimir el hidrógeno lo suficiente y mantenerlo comprimido incluso durante un segundo.
A diferencia de las plantas de energía nuclear modernas, donde ocurre la fisión de átomos, un reactor de fusión no producirá una gran cantidad de desechos nucleares. (Cada una de las unidades de energía nuclear tradicionales produce 30 toneladas de desechos nucleares extremadamente peligrosos por año. Por el contrario, los desechos nucleares de un reactor de fusión serán principalmente acero radiactivo, que permanecerá después de su desmontaje).
No se debe esperar que la fusión termonuclear resuelva por completo los problemas energéticos de la Tierra en un futuro próximo. El francés Pierre-Gilles de Gennes, premio Nobel de Física, dice: “Decimos que pondremos el sol en una caja. Buena idea. El problema es que no sabemos cómo hacer esta caja . Pero los investigadores esperan que, si todo va bien, en cuarenta años el ITER ayudará a los científicos a allanar el camino para la producción comercial de energía termonuclear, energía que algún día podría ser la fuente de electricidad para nuestros hogares. Algún día, quizás, los reactores de fusión nos permitirán en la Tierra utilizar de forma segura la energía estelar y así mitigar nuestros problemas energéticos. Pero incluso los reactores termonucleares confinados magnéticamente no podrán alimentar armas como la Estrella de la Muerte. Esto requerirá desarrollos completamente nuevos.
Láseres de rayos X de bombeo nuclear
Existe otra posibilidad de construir un cañón láser de la Estrella de la Muerte basado en la tecnología actual: usando una bomba de hidrógeno. Una batería de láseres de rayos X, que aprovecha y enfoca el poder de las armas nucleares, podría, en teoría, proporcionar suficiente energía para operar un dispositivo capaz de detonar un planeta entero.
Las reacciones nucleares liberan aproximadamente 100 millones de veces más energía por unidad de masa que las químicas. Un trozo de uranio enriquecido no mayor que una pelota de tenis sería suficiente para quemar una ciudad entera en un torbellino de fuego, a pesar de que solo el 1% de la masa de uranio se convierte en energía. Como dijimos, hay muchas formas de bombear energía al fluido de trabajo de un láser y, por lo tanto, al rayo láser. El más poderoso de estos métodos, mucho más poderoso que todos los demás, es aprovechar la energía de una bomba nuclear.
Los láseres de rayos X son de enorme importancia, tanto militar como científica. La longitud de onda muy corta de la radiación de rayos X hace posible utilizar tales láseres para sondear a distancias atómicas y descifrar la estructura atómica de moléculas complejas, lo que es extremadamente difícil de hacer con los métodos convencionales. La capacidad de "ver" átomos en movimiento y de distinguir entre su ubicación dentro de una molécula nos hace mirar las reacciones químicas de una manera completamente nueva.
Una bomba de hidrógeno emite una enorme cantidad de energía en forma de rayos X, por lo que los láseres de rayos X pueden bombearse con la energía de una explosión nuclear. En ciencia, los láseres de rayos X están más estrechamente asociados con Edward Teller, el "padre" de la bomba de hidrógeno.
Por cierto, fue Teller en la década de 1950. testificó ante el Congreso que a Robert Oppenheimer, quien anteriormente dirigió el Proyecto Manhattan, no se le podía confiar el trabajo adicional sobre la bomba de hidrógeno debido a sus opiniones políticas. El testimonio de Teller dio lugar a que Oppenheimer fuera difamado y se le negara el acceso a material clasificado; muchos físicos prominentes nunca han podido perdonar a Teller por esto.
(Mis propios contactos con Teller comenzaron en la escuela secundaria. Luego realicé una serie de experimentos sobre la naturaleza de la antimateria, gané el gran premio en la Feria de Ciencias de San Francisco y un viaje a la Feria Nacional de Ciencias en Albuquerque, Nuevo México. Junto con Teller, que siempre prestó atención a los jóvenes físicos talentosos, participé en un programa de televisión local. Más tarde recibí una beca de ingeniería de Teller que lleva el nombre de Hertz, que me ayudó a pagar mis estudios en Harvard. Varias veces al año fui a la casa de Teller en Berkeley, y allí llegó a conocer a su familia de cerca.)
En principio, el láser de rayos X Teller es una pequeña bomba nuclear rodeada de varillas de cobre. La explosión de un arma nuclear genera una onda expansiva esférica de intensa radiación de rayos X. Estos rayos de alta energía atraviesan varillas de cobre, que actúan como el fluido de trabajo del láser y enfocan la energía de los rayos X en poderosos rayos. Los rayos X resultantes pueden entonces dirigirse a las ojivas enemigas. Por supuesto, tal dispositivo solo se puede usar una vez, ya que una explosión nuclear autodestruiría el láser de rayos X.
La primera prueba láser de rayos X, denominada prueba Cabra (Calba), se llevó a cabo en 1983. Se detonó una bomba de hidrógeno en una mina subterránea y luego se enfocó una corriente aleatoria de rayos X y se convirtió en un rayo láser coherente de rayos X. Inicialmente se encontró que las pruebas fueron exitosas; de hecho, fue este éxito en 1983 lo que inspiró al presidente Reagan a hacer una declaración histórica de intenciones para construir un escudo defensivo de Star Wars. Esto lanzó un programa multimillonario para construir una red de dispositivos como láseres de rayos X de bombeo nuclear para derribar misiles balísticos intercontinentales enemigos. El trabajo bajo este programa continúa hoy. (Más tarde resultó que un sensor diseñado para registrar y medir la radiación durante una prueba histórica,fue destruido; por lo tanto, no se podía confiar en su testimonio).
¿Es realmente posible derribar ojivas de misiles balísticos con un dispositivo tan nada trivial? No está excluido. Pero no debe olvidarse que el enemigo puede idear muchas formas sencillas y económicas de neutralizar tales armas (por ejemplo, uno podría engañar al radar disparando millones de señuelos baratos; o hacer girar la ojiva para dispersar los rayos X de esta manera; o crear un recubrimiento químico que protegería la ojiva de los rayos X). Al final, el enemigo podría simplemente producir ojivas en masa que perforarían el escudo de Star Wars simplemente por su gran número.
Por lo tanto, los láseres de rayos X de bombeo nuclear actualmente no pueden proteger contra el ataque de misiles. Pero, ¿es posible crear sobre su base una Estrella de la Muerte capaz de destruir un planeta entero o convertirse en un medio eficaz de defensa contra un asteroide que se aproxima?
Física de la Estrella de la Muerte
¿Es posible crear un arma capaz de destruir un planeta entero, como en Star Wars? En teoría, la respuesta es simple: sí. Y de varias formas.
No existen limitaciones físicas para la energía liberada por la detonación de una bomba de hidrógeno. Así es como va. (Una descripción detallada de la bomba de hidrógeno aún hoy está clasificada por el gobierno de los Estados Unidos como la categoría más alta de secreto, pero en términos generales su dispositivo es bien conocido). Una bomba de hidrógeno se fabrica en varias etapas. Combinando el número requerido de etapas en la secuencia correcta, puede obtener una bomba nuclear de casi cualquier potencia predeterminada.
La primera etapa es una bomba de fisión estándar o bomba atómica; utiliza la energía del uranio-235 para generar una explosión de rayos X, como sucedió en Hiroshima. Una fracción de segundo antes de que la explosión de una bomba atómica vuele todo en pedazos, aparece una esfera en expansión de un poderoso pulso de rayos X. Esta radiación supera a la explosión real (ya que se mueve con la velocidad de la luz); logran enfocarlo nuevamente y enviarlo a un recipiente con deuteruro de litio, el principio activo de una bomba de hidrógeno. (Exactamente cómo se hace esto sigue siendo un secreto de estado). Los rayos X caen sobre el deuteruro de litio, lo que hace que colapse instantáneamente y se caliente a millones de grados, provocando una segunda explosión, mucho más poderosa que la primera. La explosión de rayos X resultante de esta segunda explosión. A continuación, puede volver a concentrarse en el segundo lote de deuteruro de litio y provocar una tercera explosión. Este es el principio por el cual puede colocar muchos contenedores de deuteruro de litio uno al lado del otro y obtener una bomba de hidrógeno de un poder inimaginable. Así, la bomba más poderosa en la historia de la humanidad fue la bomba de hidrógeno de dos etapas, que fue detonada en 1961 por la Unión Soviética. Luego hubo una explosión con una capacidad de 50 millones de toneladas de equivalente de TNT, aunque teóricamente esta bomba era capaz de dar una potencia de más de 100 megatones de TNT (que es unas 5000 veces más que la potencia de la bomba lanzada sobre Hiroshima).la bomba más poderosa en la historia de la humanidad fue la bomba de hidrógeno de dos etapas, que fue detonada en 1961 por la Unión Soviética. Luego hubo una explosión con una capacidad de 50 millones de toneladas de equivalente de TNT, aunque teóricamente esta bomba era capaz de dar una potencia de más de 100 megatones de TNT (que es unas 5000 veces más que la potencia de la bomba lanzada sobre Hiroshima).la bomba más poderosa en la historia de la humanidad fue la bomba de hidrógeno de dos etapas, que fue detonada en 1961 por la Unión Soviética. Luego hubo una explosión con una capacidad de 50 millones de toneladas de equivalente de TNT, aunque teóricamente esta bomba era capaz de dar una potencia de más de 100 megatones de TNT (que es aproximadamente 5000 veces más que la potencia de la bomba lanzada sobre Hiroshima).
Sin embargo, se necesitan poderes completamente diferentes para encender un planeta entero. Para hacer esto, la Estrella de la Muerte tendría que lanzar miles de láseres de rayos X al espacio, que luego tendrían que ser disparados simultáneamente. (A modo de comparación, en el apogeo de la Guerra Fría, los Estados Unidos y la Unión Soviética almacenaron cada uno unas 30.000 bombas nucleares). La energía combinada de una cantidad tan enorme de láseres de rayos X habría sido suficiente para encender la superficie del planeta. Por lo tanto, el Imperio Galáctico del futuro, a cientos de miles de años de distancia de nosotros, podría, por supuesto, crear tal arma.
Para una civilización altamente desarrollada, existe otra forma: crear una Estrella de la Muerte que usaría la energía de una fuente cósmica de estallidos de rayos gamma. De tal Estrella de la Muerte, emanaría un estallido de radiación, solo superado por el Big Bang en poder. Las fuentes de estallidos de rayos gamma son un fenómeno natural, existen en el espacio; sin embargo, es concebible que algún día una civilización avanzada pueda aprovechar su enorme energía. Es posible que si tomamos el control de la rotación de una estrella mucho antes de su colapso y el nacimiento de una hipernova, entonces será posible dirigir el "disparo" de la fuente de estallidos de rayos gamma a cualquier punto del espacio.
Fuentes de estallidos de rayos gamma
Las fuentes cósmicas de GRB se notaron por primera vez en la década de 1970. en los satélites Vela lanzados por satélites militares estadounidenses, diseñados para detectar "destellos adicionales", evidencia de una explosión ilegal de una bomba nuclear. Pero en lugar de llamaradas en la superficie de la Tierra, los satélites detectaron explosiones gigantes de radiación desde el espacio. El descubrimiento sorpresa inicial provocó pánico en el Pentágono: ¿Están los soviéticos probando nuevas armas nucleares en el espacio profundo? Más tarde se descubrió que las explosiones proceden uniformemente de todas las direcciones de la esfera celeste; esto significaba que en realidad estaban llegando a la Vía Láctea desde el exterior. Pero, si asumimos un origen verdaderamente extragaláctico de las explosiones, entonces su poder resultará ser verdaderamente astronómico - después de todo, son capaces de "iluminar" todo el universo visible.
Después del colapso de la Unión Soviética en 1990, el Pentágono desclasificó inesperadamente una gran cantidad de datos astronómicos. Los astrónomos estaban asombrados. De repente se dieron cuenta de que estaban enfrentando un nuevo fenómeno misterioso de aquellos que se ven obligados de vez en cuando a reescribir libros de texto y libros de referencia.
La duración de las explosiones de rayos gamma es corta, desde unos pocos segundos hasta varios minutos, por lo que se necesita un sistema de sensores cuidadosamente organizado para detectarlos y analizarlos. Primero, los satélites registran un estallido de radiación gamma y envían las coordenadas exactas de la fuente a la Tierra. Las coordenadas obtenidas se transmiten a telescopios ópticos o radiotelescopios, que, a su vez, apuntan a un punto específico de la esfera celeste.
Aunque no se sabe todo sobre los estallidos de rayos gamma en este momento, una de las teorías de su origen dice que las fuentes de los estallidos de rayos gamma son "hipernovas" de extraordinaria fuerza, que dejan tras de sí enormes agujeros negros. En este caso, resulta que las fuentes de estallidos de rayos gamma son monstruosos agujeros negros en etapa de formación.
Pero los agujeros negros emiten dos chorros, dos corrientes de radiación, desde el polo sur y desde el norte, como una peonza. La radiación del estallido de rayos gamma, que registramos, pertenece obviamente a una de estas corrientes, la que resultó estar dirigida hacia la Tierra. Si el flujo de radiación gamma de tal fuente se dirigiera exactamente a la Tierra, y la fuente en sí estuviera en nuestra vecindad galáctica (a una distancia de varios cientos de años luz de la Tierra), su poder sería suficiente para destruir completamente la vida en nuestro planeta.
Primero, un pulso electromagnético creado por rayos X de una fuente de explosión de rayos gamma habría desactivado todos los equipos electrónicos de la Tierra. Un poderoso haz de rayos X y radiación gamma causaría un daño irreparable a la atmósfera terrestre, destruyendo la capa protectora de ozono. Luego, una corriente de rayos gamma calentaría la superficie de la Tierra, provocando monstruosas tormentas de fuego que eventualmente envolverían todo el planeta. Quizás la fuente de estallidos de rayos gamma no habría hecho explotar el planeta, como se muestra en la película "Star Wars", pero sin duda habría destruido toda la vida en él, dejando un desierto carbonizado.
Se puede suponer que una civilización que nos ha superado en desarrollo por cientos de millones de años aprenderá a dirigir esos agujeros negros hacia el objetivo deseado. Esto se puede lograr aprendiendo a controlar el movimiento de planetas y estrellas de neutrones y dirigirlos a una estrella moribunda en un ángulo calculado con precisión justo antes del colapso. Un esfuerzo relativamente pequeño será suficiente para desviar el eje de rotación de la estrella y apuntar en la dirección deseada. Entonces la estrella moribunda se convertirá en el cañón de rayos más grande imaginable.
Resumir. El uso de láseres potentes para crear armas de rayos portátiles o de mano y sables de luz debe clasificarse como imposibilidad de clase I; lo más probable es que esto sea posible en un futuro cercano, o, digamos, en los próximos cien años. Pero la tarea extremadamente difícil de apuntar una estrella en rotación antes de explotar y convertirla en un agujero negro, es decir, convertirla en una Estrella de la Muerte, debe considerarse una imposibilidad de clase II, algo que no contradice claramente las leyes de la física (después de todo, las fuentes de estallidos de rayos gamma existen en realidad), pero solo se puede realizar en un futuro lejano, después de miles o incluso millones de años.
Del libro: "Física de lo imposible".
