Impulso para viajar a las estrellas

 Tanto la Agencia Espacial Europea como la NASA están oficialmente pensando en una misión tripulada a Marte para la década del 2030. Sin embargo, estas posibles misiones espaciales están aún muy lejos del sueño de viajar a otro sistema solar como Alfa Centauri, donde se encuentra el exoplaneta conocido más cercano a nosotros.

Una nave que pudiera llevarnos hasta las estrellas en tiempo razonable tendría que ser masiva y montarse directamente en el espacio, seguramente con materiales extraídos de asteroides y de la misma Luna, pues el coste de llevarlos desde la superficie terrestre sería demasiado grande a menos que dispusiéramos de un ascensor espacial.

Si consiguiéramos dotar a una nave así de una aceleración suficiente y sostenida en el tiempo, podríamos llegar en pocos años a otros sistemas solares gracias al fenómeno de la dilatación temporal, como muestra el siguiente video:

Aunque todavía parezca un sueño lejano, desde hace décadas ha habido proyectos para definir cómo podría funcionar una nave de este tipo. Comentaremos más abajo algunos proyectos históricos. Actualmente existe la iniciativa de la Nave Estelar en 100 años, que pretende conseguir esta tecnología antes de un siglo.

Propulsión Newtoniana

Todos los sistemas actuales de propulsión espacial se basan en la Tercera Ley de Newton o ley de acción-reacción. Debido a la conservación del momento (producto de la masa por la velocidad), cuando un cohete expulsa a gran velocidad los gases u otro material de propulsión el cuerpo del cohete se mueve en dirección opuesta.

Este interesante documental describe cómo a partir de este sencillo principio se produjo históricamente el desarrollo de los cohetes espaciales:

La ventaja de los motores cohetes convencionales es que consiguen una gran potencia, pero a costa de consumir una cantidad enorme de combustible. Como el cohete debe llevar consigo estos materiales propelentes (oxígeno e hidrógeno líquido, por ejemplo) su peso aumenta muchísimo, y por tanto requiere todavía más combustible para acelerar su masa.

Un sistema alternativo ya utilizado en algunas sondas espaciales consiste en acelerar pequeñas cantidades de materia a una velocidad muy alta. La materia que permite la propulsión puede ser iones o plasma (átomos con carga eléctrica) acelerados por poderosos cambios electromagnéticos alimentados por un sistema de combustible nuclear.

Estos sistemas tienen la ventaja de gastar poco material propelente, pero requieren una fuente de energía muy potente para conseguir aceleraciones significativas. En realidad no serían útiles para viajes interestelares tripulados. Sí son están utilizados con gran éxito por algunas sondas espaciales como Deep Space 1 y la misión Dawn que operan en nuestro sistema solar:

Una fuerte de energía poderosa que también necesitaría poca cantidad de combustible sería la de los motores de fusión nuclear, o incluso mejor todavía, los motores de antimateria. Su mayor problema es que requerirían llevar cuidadosamente aislada esta peligrosa sustancia que se aniquila con la materia ordinaria para generar una gran cantidad de energía. Este aislamiento podría conseguirse mediante la combinación de electrones y su antipartícula el positrón para formar el más estable positronio.

Además, tendríamos que producir con antelación toda la antimateria necesaria para el viaje, fabricándola en alguna instalación donde dispusiéramos de las poderosas fuentes de energía que hacen falta para ello.

En el siguiente vídeo se muestra un hipotético viaje de seis años utilizando un motor de antimateria hasta la luna Pandora (que aparece en Avatar), suponiéndola situada en el sistema de Alfa Centauri:

El primer proyecto serio para imaginar una tecnología práctica para el viaje interestelar fue el proyecto Orion, un concepto desarrollado en los años 50 que fue cancelado cuando se prohibieron las pruebas nucleares en el espacio. En los años 70 se volvió a considerar la idea (en versión no tripulada) en el proyecto Daedalus, y en los 80 la NASA lo estudió de nuevo con el proyecto LongShot, una nave que hubiera tardado 100 años en llegar a Alpha Centauri.

Este es un diseño para el proyecto Daedalus:

Todos estos proyectos se basan en la idea de utilizar explosiones nucleares de fisión (bombas atómicas) como sistema de propulsión, lo cual puede parecer una locura pero por el momento sería una de las tecnologías más prácticas para conseguir la potencia necesaria para un viaje de larga distancia.

Sistemas sin combustible

El problema de muchos de estos sistemas de propulsión es la necesidad de llevar y reponer combustible y fuentes de energía para los largos viajes.

Una alternativa es el uso de grandes velas impulsadas por la radiación solar o por lásers apuntados desde la Luna u otro cuerpo celeste. Estos sistemas pueden ser formas efectivas de propulsión en el sistema solar interior, pero no son útiles para el viaje interestelar, ya que la efectividad de la radiación solar o el impulso láser se pierde con la distancia.

Aún así, son usadas por el mismísimo Conde Dooku  :-)

Y la NASA ha realizado pruebas reales para su despliegue en el espacio:

Este mismo año 2014 está previsto el lanzamiento de la misión Sunjammer, que probará de forma efectiva la utilidad de una vela solar para diferentes misiones dentro del sistema (gracias a Fran por la referencia, ver su comentario debajo de la entrada).

Una idea a priori muy interesante para el viaje interestelar es la del ramjet propuesto en los 60 por el físico Robert Bussard. Esta nave generaría grandes campos magnéticos que le permitirían recoger el hidrógeno disponible en el espacio interestelar, para ser utilizado como combustible.

Aquí tenemos al maestro Carl Sagan describiendo las naves Orion y Ramjet en la serie Cosmos original:

Desafortunadamente, parece que la cantidad de hidrógeno en el espacio interestelar podría no ser suficiente para el funcionamiento práctico del Ramjet, y la intensidad de los campos magnéticos insuficiente cuando se alcanzaran grandes velocidades.

Una idea más moderna para la propulsión sin combustible mezcla ideas de la relatividad y la cuántica para ir más allá de la ley de acción-reacción (de hecho, los escépticos afirman que es imposible porque violaría esta ley, la de conservación del momento lineal). El propulsor electromagnético o EM-drive usa un sistema de microondas que interactúan con el vacío cuántico. Se encuentra actualmente en fase de comprobación experimental y de confirmarse sus principios supondría una verdadera revolución en la propulsión espacial.

Propulsión 'relativista'

A los escritores de ciencia ficción y soñadores de todos los pelajes no les han detenido nunca las limitaciones de la tecnología actual, ni siquiera el límite para la velocidad impuesto por la Teoría de la Relatividad.

Según nuestro conocimiento actual, es imposible movernos por el espacio más rápido que la luz, y además sabemos que cuanto más aumenta la velocidad de una nave también lo hace su masa (tendiendo a ser infinita cuando nos acercamos a la velocidad de la luz). Por tanto se hace progresivamente más costoso impulsar una nave a medida que su velocidad aumenta.

Por ello las ideas sobre métodos de propulsión o viaje alternativos, como los promovidos por NASA en su programa de innovaciones físicas para la propulsión, se basan en manipular el propio espacio-tiempo basándose en el principio de la Relatividad General según el cual la forma del propio espacio-tiempo está relacionada con la gravedad, por efecto de la masa-energía.

Se ha comprobado que la presencia de una masa, y por tanto de una fuerza gravitatoria, corresponde a una curvatura del espacio-tiempo. En ese sentido decimos que un planeta crea un 'pozo de gravedad', y que un agujero negro sería como un 'pozo sin fondo'.

Hemos visto ya que esta deformación podría llevar a la creación de agujeros de gusano que comunicaran con 'túneles' diferentes lugares del espacio-tiempo. Sin embargo los agujeros serían muy difíciles de generar y controlar, y estarían ligados a grandes instalaciones en el espacio, a las cuales habría que viajar por medios convencionales.

Los agujeros de gusano no nos ofrecerían la libertad de viajar a donde quisiéramos, sino dentro de una red de transporte costosa de construir.

Una variante de esta idea es el tubo de Krasnikov, una especie de agujero de gusano que actúa como atajo solamente en la dimensión tiempo. La nave tendría que recorrer la distancia de forma convencional en el espacio, pero dejaría un tubo abierto que le permitiría regresar en el mismo instante de su salida.

Según los análisis teóricos, para estabilizar un agujero de gusano sería necesario disponer de masa o energía negativa. Como hemos visto en la entrada anterior, la teoría de la inflación para el Big Bang se basa precisamente en este concepto: es posible que el espacio incluya una fuerza interna de repulsión que le hace expandirse, rápida o lentamente según las condiciones. Esta energía oscura o energía negativa funciona como una gravedad negativa, curvando el espacio tiempo en forma inversa a la gravedad atractiva ordinaria.

Basándose en esta idea, el físico Robert L. Forward (también un reconocido autor de ciencia-ficción hard) propuso en los años 70 el motor diametral (diametrical drive), que básicamente utilizaría una combinación de masas negativa y positiva para mover la nave.

La más elaborada y popular de estas posibilidades ha sido desarrollada por el físico mejicano Miguel Alcubierre quien utiliza el concepto de energía negativa para crear una 'ola' en el espacio-tiempo como combinación de presiones negativa y positiva en una burbuja de espacio alrededor de la nave. Este 'motor' permitiría en principio el viaje a velocidades mayores que la luz, puesto que lo que se desplazaría sería el espacio-tiempo mismo, arrastrando consigo la nave.

Además de aproximarse bastante al motor 'warp' utilizado por las naves de la serie Star Trek para el viaje más rápido que la luz, la idea de Alcubierre ha sido tomada tan en serio como para merecer un programa de investigación por parte de NASA.

El mismo Alcubierre explica en detalle los fundamentos de su motor en esta excelente conferencia (ver a partir del minuto 37):

Y aquí podéis ver algunos conceptos tipo Star Trek desarrollados a partir de ideas de la NASA.

Otro posible mecanismo para viajar más rápido que la luz sería convirtiendo la nave en taquiones, hipotéticas partículas de masa imaginaria que viajarían a velocidad supralumínica. Sin embargo, además de que nadie tiene idea de cómo podría realizarse esta conversión, está la dificultad de que los taquiones viajan hacia atrás en el tiempo, lo que crearía las típicas paradojas del viaje al pasado. La mayoría de los físicos piensan que esta idea está lejos de ser factible ni siquiera teóricamente.

Para terminar, estos dos vídeos nos ofrecen un resumen de los problemas y posibilidades consideradas para el viaje interestelar:

Aunque lo cierto es que alguno de estos hipotéticos medios de propulsión ha sido ya utilizado en la realidad. Por los OVNIS que nos han visitado, claro   :-)

Por supuesto, nada de esto es un problema en los universos imaginarios de la ciencia-ficción. En la siguiente imagen (pinchar para verla en grande) podéis ver un muestrario de las mayores naves imaginadas en películas, series y videojuegos, que utilizan fantásticos medios de propulsión para surcar la galaxia:

Y si os preguntáis cuál de ellas sería la más rápida y qué tiempo necesitaría para alcanzar diferentes destinos espaciales, aquí tenéis esta divertida aplicación.

En cualquier caso, conseguir un avance significativo en los sistemas de propulsión útiles para el viaje interestelar va a requerir descifrar los mecanismos cuánticos de la gravedad y la energía oscura.

¡Feliz propulsión!

    Salvador