Kepler-452b, destino Imserso para 2100

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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El profe de Física

El blog de Arturo Quirantes

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.

                Finalmente nadie podrá evitar el intento de colonizar otros mundos

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.

                           Nuevas técnicas, nuevos materiales y nuevas energías

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.

       Del Espacio “vacío” por el que surcaran los caminos siderales recogerán su propio combustible

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.

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