El viaje interestelar es el viaje hipotético de naves espaciales desde un sistema estelar , estrella solitaria o sistema planetario a otro. Se espera que los viajes interestelares resulten mucho más difíciles que los vuelos espaciales interplanetarios debido a la gran diferencia en la escala de las distancias involucradas. Mientras que la distancia entre dos planetas cualesquiera en el Sistema Solar es inferior a 55 unidades astronómicas (AU), las estrellas suelen estar separadas por cientos de miles de AU, lo que hace que estas distancias normalmente se expresen en años luz . Debido a la inmensidad de estas distancias, los viajes interestelares no generacionales basados en la física conocida tendrían que ocurrir a un alto porcentaje de la velocidad de la luz ; aun así, los tiempos de viaje serían largos, al menos décadas y quizás milenios o más. [1]
Hasta 2024 [update], cinco naves espaciales no tripuladas , todas lanzadas y operadas por Estados Unidos, han alcanzado la velocidad de escape necesaria para abandonar el Sistema Solar como parte de misiones para explorar partes del sistema exterior. Por tanto, seguirán viajando por el espacio interestelar indefinidamente. Sin embargo, no se acercarán a otra estrella hasta dentro de cientos de miles de años, mucho después de que hayan dejado de funcionar (aunque en teoría, la Voyager Golden Record sería reproducible en caso de que la nave espacial sea recuperada por una civilización extraterrestre ).
Las velocidades necesarias para los viajes interestelares durante la vida humana superan con creces las que pueden proporcionar los métodos actuales de viajes espaciales. Incluso con un sistema de propulsión hipotéticamente perfectamente eficiente, la energía cinética correspondiente a esas velocidades es enorme para los estándares actuales de desarrollo energético . Además, las colisiones de naves espaciales con polvo y gas cósmicos a tales velocidades serían muy peligrosas tanto para los pasajeros como para la propia nave espacial. [1]
Se han propuesto una serie de estrategias para abordar estos problemas, que van desde arcas gigantes que transportarían sociedades y ecosistemas enteros hasta sondas espaciales microscópicas . Se han propuesto muchos sistemas diferentes de propulsión de naves espaciales para darles a las naves las velocidades requeridas, incluida la propulsión nuclear , la propulsión impulsada por haces y métodos basados en la física especulativa. [2]
La humanidad necesitaría superar considerables desafíos tecnológicos y económicos para lograr viajes interestelares con o sin tripulación. Incluso las opiniones más optimistas pronostican que pasarán décadas antes de que se alcance este hito. Sin embargo, a pesar de los desafíos, se espera una amplia gama de beneficios científicos si los viajes interestelares se hacen realidad. [3]
La mayoría de los conceptos de viajes interestelares requieren un sistema de logística espacial desarrollado capaz de mover millones de toneladas a un lugar de construcción/operación, y la mayoría requeriría energía a escala de gigavatios para la construcción o la energía (como los conceptos tipo Star Wisp o Light Sail ). Un sistema de este tipo podría crecer orgánicamente si la energía solar espacial se convirtiera en un componente importante de la combinación energética de la Tierra . La demanda de los consumidores de un sistema de varios teravatios crearía el sistema logístico necesario de varios millones de toneladas/año. [4]
Las distancias entre los planetas del Sistema Solar a menudo se miden en unidades astronómicas (UA), definidas como la distancia promedio entre el Sol y la Tierra, aproximadamente 1,5 × 10 8 kilómetros (93 millones de millas). Venus , el planeta más cercano a la Tierra, está (en su máxima aproximación) a 0,28 AU de distancia. Neptuno , el planeta más alejado del Sol, está a 29,8 UA. A partir del 20 de enero de 2023, la Voyager 1 , el objeto creado por el hombre más lejano de la Tierra, se encuentra a 163 AU de distancia, saliendo del Sistema Solar a una velocidad de 17 km/s (0,006% de la velocidad de la luz). [5]
La estrella conocida más cercana, Próxima Centauri , está aproximadamente a 268.332 AU, o más de 9.000 veces más lejos que Neptuno.
Debido a esto, las distancias entre estrellas suelen expresarse en años luz (definido como la distancia que la luz recorre en el vacío en un año juliano ) o en pársecs (un pársec equivale a 3,26 ly, la distancia a la que el paralaje estelar es exactamente un segundo de arco ). de ahí el nombre). La luz en el vacío viaja alrededor de 300.000 kilómetros (186.000 millas) por segundo, por lo que 1 año luz equivale aproximadamente a 9,461 × 10 12 kilómetros (5,879 billones de millas) o 63,241 AU. Por tanto, Próxima Centauri está aproximadamente a 4.243 años luz de la Tierra.
Otra forma de comprender la inmensidad de las distancias interestelares es mediante la escala: una de las estrellas más cercanas al Sol, Alpha Centauri A (una estrella similar al Sol que es una de las dos compañeras de Próxima Centauri), se puede representar reduciendo la escala de la Tierra. –Distancia del sol a un metro (3,28 pies). En esta escala, la distancia hasta Alfa Centauri A sería de 276 kilómetros (171 millas).
La nave espacial más rápida enviada hasta ahora, la Voyager 1 , ha recorrido 1/390 de año luz en 46 años y actualmente se mueve a 1/17.600 de la velocidad de la luz. A este ritmo, un viaje a Próxima Centauri tardaría 75.000 años. [sesenta y cinco]
Un factor importante que contribuye a la dificultad es la energía que se debe suministrar para obtener un tiempo de viaje razonable. Un límite inferior para la energía requerida es la energía cinética , donde está la masa final. Si se desea desacelerar a la llegada y no se puede lograr por ningún otro medio que no sean los motores del barco, entonces el límite inferior de la energía requerida se duplica a . [7]
La velocidad de un viaje de ida y vuelta con tripulación de unas pocas décadas incluso hasta la estrella más cercana es varios miles de veces mayor que la de los vehículos espaciales actuales. Esto significa que, debido al término de la fórmula de la energía cinética, se requiere millones de veces más energía. Acelerar una tonelada a una décima parte de la velocidad de la luz requiere al menos 450 petajulios o 4,50 × 10 17 julios o 125 teravatios-hora [8] ( el consumo mundial de energía en 2008 fue de 143.851 teravatios-hora), [9] sin tener en cuenta la eficiencia del mecanismo de propulsión. Esta energía debe generarse a bordo a partir de combustible almacenado, recolectarse del medio interestelar o proyectarse a distancias inmensas.
El conocimiento de las propiedades del gas y polvo interestelar a través del cual debe pasar el vehículo es esencial para el diseño de cualquier misión espacial interestelar. [10] Un problema importante al viajar a velocidades extremadamente altas es que, debido a las altas velocidades relativas requeridas y las grandes energías cinéticas, las colisiones con polvo interestelar podrían causar daños considerables a la nave. Se han propuesto varios métodos de protección para mitigar este problema. [11] Los objetos más grandes (como los granos de polvo macroscópicos) son mucho menos comunes, pero serían mucho más destructivos. Los riesgos de impactar tales objetos y los métodos de mitigación se han discutido en la literatura, pero aún quedan muchas incógnitas. [12] Una consideración adicional es que debido a la distribución no homogénea de la materia interestelar alrededor del Sol, estos riesgos variarían entre diferentes trayectorias. [10] Aunque un medio interestelar de alta densidad puede causar dificultades para muchos conceptos de viajes interestelares, los estatorreactores interestelares y algunos conceptos propuestos para desacelerar naves espaciales interestelares en realidad se beneficiarían de un medio interestelar más denso. [10]
La tripulación de una nave interestelar se enfrentaría a varios peligros importantes, incluidos los efectos psicológicos del aislamiento prolongado , los efectos fisiológicos de la aceleración extrema, los efectos de la exposición a la radiación ionizante y los efectos fisiológicos de la ingravidez en los músculos, las articulaciones y los huesos. , sistema inmunológico y ojos. También existe el riesgo de impacto de micrometeoroides y otros desechos espaciales . Estos riesgos representan desafíos que aún deben superarse. [13]
El físico y escritor de ficción especulativa Robert L. Forward ha argumentado que una misión interestelar que no pueda completarse en 50 años no debería iniciarse en absoluto. En cambio, suponiendo que una civilización todavía se encuentra en una curva creciente de velocidad del sistema de propulsión y aún no ha alcanzado el límite, los recursos deberían invertirse en diseñar un mejor sistema de propulsión. Esto se debe a que una nave lenta probablemente sería superada por otra misión enviada posteriormente con propulsión más avanzada (el postulado de la obsolescencia incesante). [14] En 2006, Andrew Kennedy calculó las fechas de salida ideales para un viaje a la Estrella de Barnard utilizando un concepto más preciso de cálculo de espera donde, para un destino determinado y una tasa de crecimiento en la capacidad de propulsión, hay un punto de partida que supera a los lanzamientos anteriores y no ser superados por otros posteriores y concluyó que "la mejor manera de realizar un viaje interestelar de 6 años luz es dentro de unos 635 años si el crecimiento continúa a aproximadamente el 1,4% anual", o aproximadamente 2641 d.C. [15] Puede que sea el cálculo más significativo para las culturas en competencia que ocupan la galaxia. [dieciséis]
Hay 59 sistemas estelares conocidos a 40 años luz del Sol, que contienen 81 estrellas visibles. Los siguientes podrían considerarse objetivos principales para las misiones interestelares: [14]
La tecnología astronómica existente es capaz de encontrar sistemas planetarios alrededor de estos objetos, aumentando su potencial de exploración.
Las misiones interestelares "lentas" (todavía rápidas según otros estándares) basadas en tecnologías de propulsión actuales y futuras están asociadas con tiempos de viaje que van desde varias décadas hasta miles de años. Estas misiones consisten en enviar una sonda robótica a una estrella cercana para su exploración, similar a las sondas interplanetarias como las utilizadas en el programa Voyager . [22] Al no llevar tripulación, el costo y la complejidad de la misión se reducen significativamente, al igual que la masa que necesita acelerarse, aunque la vida útil de la tecnología sigue siendo una cuestión importante junto con la obtención de una velocidad de viaje razonable. Los conceptos propuestos incluyen Proyecto Daedalus , Proyecto Icarus , Proyecto Dragonfly , Proyecto Longshot , [23] y más recientemente Breakthrough Starshot . [24]
En un futuro próximo podría ser posible crear nano naves espaciales a velocidad cercana a la luz, construidas con tecnología de microchip existente y con un propulsor a nanoescala recientemente desarrollado. Investigadores de la Universidad de Michigan están desarrollando propulsores que utilizan nanopartículas como propulsor. Su tecnología se llama "propulsor de extracción de campo de nanopartículas" o nanoFET . Estos dispositivos actúan como pequeños aceleradores de partículas que disparan nanopartículas conductoras al espacio. [25]
Michio Kaku , físico teórico, ha sugerido que se envíen nubes de "polvo inteligente" a las estrellas, lo que podría ser posible gracias a los avances de la nanotecnología . Kaku también señala que sería necesario enviar una gran cantidad de nanosondas debido a la vulnerabilidad de las sondas muy pequeñas a ser desviadas fácilmente por campos magnéticos, micrometeoritos y otros peligros para garantizar las posibilidades de que al menos una nanosonda sobreviva el viaje y llegue a la Tierra. destino. [26]
Como solución a corto plazo, en el contexto del Proyecto Dragonfly se propusieron pequeñas sondas interestelares propulsadas por láser, basadas en la tecnología actual CubeSat . [23]
En las misiones tripuladas, la duración de un lento viaje interestelar presenta un obstáculo importante y los conceptos existentes abordan este problema de diferentes maneras. [27] Se pueden distinguir por el "estado" en el que se transporta a los humanos a bordo de la nave espacial.
Una nave generacional (o nave mundial ) es un tipo de arca interestelar en la que la tripulación que llega al destino desciende de quienes iniciaron el viaje. Los barcos de generación no son viables actualmente debido a la dificultad de construir un barco de la enorme escala requerida y a los grandes problemas biológicos y sociológicos que plantea la vida a bordo de un barco de este tipo. [28] [29] [30] [31] [32]
Científicos y escritores han postulado diversas técnicas de animación suspendida . Estos incluyen la hibernación humana y la preservación criónica . Aunque actualmente ninguno de los dos es práctico, ofrecen la posibilidad de utilizar barcos-cama en los que los pasajeros permanecen inertes durante todo el viaje. [33]
Otra posibilidad teórica es una misión interestelar robótica que transporte cierto número de embriones humanos congelados en sus primeras etapas. Este método de colonización espacial requiere, entre otras cosas, el desarrollo de un útero artificial , la detección previa de un planeta terrestre habitable y avances en el campo de los robots móviles totalmente autónomos y los robots educativos que sustituirían a los padres humanos. [34]
El espacio interestelar no está completamente vacío; Contiene billones de cuerpos helados que van desde pequeños asteroides ( la nube de Oort ) hasta posibles planetas rebeldes . Puede haber formas de aprovechar estos recursos durante buena parte de un viaje interestelar, saltando lentamente de un cuerpo a otro o estableciendo estaciones de paso a lo largo del camino. [35]
Si una nave espacial pudiera promediar el 10 por ciento de la velocidad de la luz (y desacelerar en el destino, para misiones tripuladas por humanos), esto sería suficiente para llegar a Próxima Centauri en cuarenta años. Se han propuesto varios conceptos de propulsión [36] que eventualmente podrían desarrollarse para lograr esto (ver § Propulsión a continuación), pero ninguno de ellos está listo para desarrollos a corto plazo (unas pocas décadas) a un costo aceptable.
Los físicos generalmente creen que viajar más rápido que la luz es imposible. La dilatación relativista del tiempo permite al viajero experimentar el tiempo más lentamente cuanto más se acerca su velocidad a la velocidad de la luz. [37] Esta aparente desaceleración se vuelve notable cuando se alcanzan velocidades superiores al 80% de la velocidad de la luz. Los relojes a bordo de una nave interestelar funcionarían más lento que los relojes de la Tierra, por lo que si los motores de una nave fueran capaces de generar continuamente alrededor de 1 g de aceleración (lo cual es cómodo para los humanos), la nave podría llegar a casi cualquier lugar de la galaxia y regresar a la Tierra en 40 minutos. años de tiempo de envío (ver diagrama). Al regresar, habría una diferencia entre el tiempo transcurrido en la nave del astronauta y el tiempo transcurrido en la Tierra.
Por ejemplo, una nave espacial podría viajar a una estrella a 32 años luz de distancia, acelerando inicialmente a una velocidad constante de 1,03 g (es decir, 10,1 m/s 2 ) durante 1,32 años (tiempo de la nave), luego parando sus motores y navegando en inercia durante los siguientes 17,3 años. (tiempo del barco) a una velocidad constante, luego desacelera nuevamente durante 1,32 años-barco y se detiene en el destino. Tras una breve visita, el astronauta podría regresar a la Tierra del mismo modo. Después del viaje completo de ida y vuelta, los relojes a bordo de la nave indican que han pasado 40 años, pero según los de la Tierra, la nave regresa 76 años después del lanzamiento.
Desde el punto de vista del astronauta, los relojes a bordo parecen funcionar con normalidad. La estrella que tenemos delante parece acercarse a una velocidad de 0,87 años luz por año-barco. El universo parecería contraído a lo largo de la dirección de viaje hasta la mitad del tamaño que tenía cuando la nave estaba en reposo; la distancia entre esa estrella y el Sol parecería ser de 16 años luz medida por el astronauta.
A velocidades más altas, el tiempo a bordo será aún más lento, por lo que el astronauta podría viajar al centro de la Vía Láctea (a 30.000 años luz de la Tierra) y regresar en 40 años de tiempo de viaje. Pero la velocidad según los relojes terrestres siempre será inferior a 1 año luz por año terrestre, por lo que, al regresar a casa, el astronauta comprobará que han pasado más de 60 mil años en la Tierra.
Independientemente de cómo se logre, un sistema de propulsión que pudiera producir una aceleración continua desde la salida hasta la llegada sería el método de viaje más rápido. Un viaje de aceleración constante es aquel en el que el sistema de propulsión acelera el barco a un ritmo constante durante la primera mitad del viaje y luego desacelera durante la segunda mitad, de modo que llega al destino estacionario en relación con donde comenzó. Si esto se realizara con una aceleración similar a la experimentada en la superficie de la Tierra, tendría la ventaja adicional de producir "gravedad" artificial para la tripulación. Sin embargo, suministrar la energía necesaria sería prohibitivamente caro con la tecnología actual. [39]
Desde la perspectiva de un observador planetario, la nave parecerá acelerar de manera constante al principio, pero luego más gradualmente a medida que se acerca a la velocidad de la luz (que no puede exceder). Sufrirá un movimiento hiperbólico . [40] La nave estará cerca de la velocidad de la luz después de aproximadamente un año de aceleración y permanecerá a esa velocidad hasta que frene para el final del viaje.
Desde la perspectiva de un observador a bordo, la tripulación sentirá un campo gravitacional opuesto a la aceleración del motor, y el universo que tiene delante parecerá caer en ese campo, experimentando un movimiento hiperbólico. Como parte de esto, las distancias entre los objetos en la dirección del movimiento de la nave se contraerán gradualmente hasta que la nave comience a desacelerar, momento en el cual la experiencia del campo gravitacional del observador a bordo se invertirá.
Cuando la nave llegue a su destino, si intercambiara un mensaje con su planeta de origen, se encontraría con que ha transcurrido menos tiempo a bordo del que había transcurrido para el observador planetario, debido a la dilatación del tiempo y la contracción de la longitud .
El resultado es un viaje impresionantemente rápido para la tripulación.
Todos los conceptos de cohetes están limitados por la ecuación del cohete , que establece la velocidad característica disponible en función de la velocidad de escape y la relación de masa, la relación entre la masa inicial ( M 0 , incluido el combustible) y la final ( M 1 , sin combustible).
Se requiere una potencia específica muy alta , la relación entre el empuje y la masa total del vehículo, para alcanzar objetivos interestelares en plazos inferiores a un siglo. [41] Es inevitable cierta transferencia de calor, lo que resulta en una carga térmica extrema.
Por lo tanto, para los conceptos de cohetes interestelares de todas las tecnologías, un problema de ingeniería clave (rara vez discutido explícitamente) es limitar la transferencia de calor desde la corriente de escape hacia el vehículo. [42]
Un tipo de propulsión eléctrica, las naves espaciales como Dawn utilizan un motor de iones . En un motor de iones, se utiliza energía eléctrica para crear partículas cargadas del propulsor, normalmente el gas xenón, y acelerarlas a velocidades extremadamente altas. La velocidad de escape de los cohetes convencionales está limitada a unos 5 km/s por la energía química almacenada en los enlaces moleculares del combustible. Producen un gran empuje (alrededor de 10 6 N), pero tienen un impulso específico bajo, y eso limita su velocidad máxima. Los motores de iones, por el contrario, tienen poca fuerza, pero la velocidad máxima en principio está limitada únicamente por la potencia eléctrica disponible en la nave espacial y en los iones de gas que se aceleran. La velocidad de escape de las partículas cargadas oscila entre 15 km/s y 35 km/s. [43]
Los motores nucleares eléctricos o de plasma, que funcionan durante largos períodos con poco empuje y están propulsados por reactores de fisión, tienen el potencial de alcanzar velocidades mucho mayores que los vehículos de propulsión química o los cohetes nucleares térmicos. Estos vehículos probablemente tengan el potencial de impulsar la exploración del sistema solar con tiempos de viaje razonables durante el siglo actual. Debido a su propulsión de bajo empuje, se limitarían a operaciones fuera del planeta y en el espacio profundo. La propulsión de naves espaciales propulsadas eléctricamente por una fuente de energía portátil, digamos un reactor nuclear , que produzca sólo pequeñas aceleraciones, tardaría siglos en alcanzar, por ejemplo, el 15% de la velocidad de la luz , por lo que no sería adecuada para vuelos interestelares durante una sola vida humana. [44]
Los cohetes de fragmentos de fisión utilizan la fisión nuclear para crear chorros de fragmentos de fisión de alta velocidad, que se expulsan a velocidades de hasta 12.000 km/s (7.500 mi/s). Con la fisión, la producción de energía es aproximadamente el 0,1% de la masa-energía total del combustible del reactor y limita la velocidad efectiva de escape a aproximadamente el 5% de la velocidad de la luz. Para una velocidad máxima, la masa de reacción debería consistir óptimamente en productos de fisión, las "cenizas" de la fuente de energía primaria, por lo que no es necesario tener en cuenta masa de reacción adicional en la relación de masas.
A partir de trabajos realizados entre finales de los años 50 y principios de los 60, fue técnicamente posible construir naves espaciales con motores de propulsión nuclear por impulsos , es decir, impulsados por una serie de explosiones nucleares. Este sistema de propulsión contiene la perspectiva de un impulso específico muy elevado y una potencia específica elevada . [45]
Freeman Dyson, miembro del equipo del Proyecto Orión , propuso en 1968 una nave espacial interestelar que utilizaba propulsión por impulsos nucleares que utilizaba detonaciones de fusión de deuterio puro con una fracción de combustión de combustible muy alta . Calculó una velocidad de escape de 15.000 km/s y un vehículo espacial de 100.000 toneladas capaz de alcanzar un delta-v de 20.000 km/s , lo que permitía un tiempo de vuelo a Alfa Centauri de 130 años. [46] Estudios posteriores indican que la velocidad de crucero máxima que teóricamente puede alcanzar una nave estelar Orion propulsada por una unidad termonuclear Teller-Ulam, suponiendo que no se ahorre combustible para reducir la velocidad, es aproximadamente del 8% al 10% de la velocidad de la luz ( 0,08-0,1c). [47] Un Orión atómico (fisión) puede alcanzar quizás entre el 3% y el 5% de la velocidad de la luz. Una nave estelar impulsada por pulsos nucleares impulsada por unidades de propulsión de pulsos nucleares catalizadas por fusión-antimateria estaría igualmente en el rango del 10% y los cohetes de aniquilación de materia-antimateria pura serían teóricamente capaces de obtener una velocidad entre el 50% y el 80% de la velocidad de la luz. En cada caso, el ahorro de combustible para reducir la velocidad reduce a la mitad la velocidad máxima. El concepto de usar una vela magnética para desacelerar la nave espacial a medida que se acerca a su destino se ha discutido como una alternativa al uso de propulsor, esto permitiría que la nave viajara cerca de la velocidad teórica máxima. [48] Los diseños alternativos que utilizan principios similares incluyen el Proyecto Longshot , el Proyecto Daedalus y el Mini-Mag Orion . El principio de propulsión por impulsos nucleares externos para maximizar la potencia de supervivencia sigue siendo común entre los conceptos serios para el vuelo interestelar sin transmisión de energía externa y para el vuelo interplanetario de muy alto rendimiento.
En la década de 1970, el Proyecto Daedalus perfeccionó aún más el concepto de propulsión por impulsos nucleares mediante el uso de fusión por confinamiento inercial desencadenada externamente , en este caso produciendo explosiones de fusión mediante la compresión de bolitas de combustible de fusión con haces de electrones de alta potencia. Desde entonces, se ha sugerido que los láseres , los haces de iones , los haces de partículas neutras y los proyectiles hipercinéticos producen pulsos nucleares con fines de propulsión. [49]
Un impedimento actual para el desarrollo de cualquier nave espacial propulsada por explosiones nucleares es el Tratado de Prohibición Parcial de Ensayos Nucleares de 1963 , que incluye la prohibición de la detonación de cualquier dispositivo nuclear (incluso los que no estén basados en armas) en el espacio exterior. Por lo tanto, sería necesario renegociar este tratado, aunque un proyecto de la escala de una misión interestelar que utilice tecnología actualmente previsible probablemente requeriría una cooperación internacional al menos de la escala de la Estación Espacial Internacional .
Otra cuestión a considerar serían las fuerzas G impartidas a una nave espacial rápidamente acelerada, a la carga y a los pasajeros en su interior (ver Negación de inercia).
Es posible que las naves espaciales de fusión , impulsadas por reacciones de fusión nuclear , puedan alcanzar velocidades del orden del 10% de la de la luz, basándose únicamente en consideraciones energéticas. En teoría, un gran número de etapas podrían acercar arbitrariamente un vehículo a la velocidad de la luz. [50] Estos "quemarían" combustibles de elementos ligeros como deuterio, tritio, 3 He, 11 B y 7 Li. Debido a que la fusión produce alrededor del 0,3% al 0,9% de la masa del combustible nuclear como energía liberada, es energéticamente más favorable que la fisión, que libera <0,1% de la masa-energía del combustible. Las velocidades máximas de escape potencialmente disponibles energéticamente son correspondientemente más altas que las de la fisión, típicamente entre el 4% y el 10% de la velocidad de la luz. Sin embargo, las reacciones de fusión más fáciles de lograr liberan una gran fracción de su energía en forma de neutrones de alta energía, que son una fuente importante de pérdida de energía. Por lo tanto, aunque estos conceptos parecen ofrecer las mejores perspectivas (a corto plazo) para viajar a las estrellas más cercanas dentro de una (larga) vida humana, todavía implican enormes dificultades tecnológicas y de ingeniería, que pueden resultar intratables durante décadas o siglos. .
Los primeros estudios incluyen el Proyecto Daedalus , realizado por la Sociedad Interplanetaria Británica en 1973-1978, y el Proyecto Longshot , un proyecto estudiantil patrocinado por la NASA y la Academia Naval de EE. UU ., completado en 1988. Otro sistema de vehículo bastante detallado, "Discovery II", [51 ] diseñado y optimizado para la exploración tripulada del Sistema Solar, basado en la reacción D 3 He pero utilizando hidrógeno como masa de reacción, ha sido descrito por un equipo del Centro de Investigación Glenn de la NASA . Alcanza velocidades características de >300 km/s con una aceleración de ~1,7·10 −3 g , con una masa inicial del barco de ~1700 toneladas métricas y una fracción de carga útil superior al 10%. Aunque todavía están muy por debajo de los requisitos para los viajes interestelares en escalas de tiempo humanas, el estudio parece representar un punto de referencia razonable hacia lo que podría ser alcanzable dentro de varias décadas, lo que no es imposible que esté más allá del estado actual de la técnica. Basado en la fracción de quemado del 2,2% del concepto , podría alcanzar una velocidad de escape del producto de fusión pura de ~3.000 km/s.
Un cohete de antimateria tendría una densidad de energía y un impulso específico mucho mayores que cualquier otra clase de cohete propuesta. [36] Si se descubre que los recursos energéticos y los métodos de producción eficientes producen antimateria en las cantidades necesarias y la almacenan [52] [53] de forma segura, sería teóricamente posible alcanzar velocidades de varias decenas de por ciento de las de la luz. [36] Es dudoso que la propulsión de antimateria pueda conducir a velocidades más altas (>90% de la de la luz) a las que la dilatación relativista del tiempo se volvería más notable, haciendo así que el tiempo pase a un ritmo más lento para los viajeros tal como lo percibe un observador externo. debido a la gran cantidad de antimateria que se requeriría. [36] [54]
Al especular que la producción y el almacenamiento de antimateria deberían ser factibles, es necesario considerar dos cuestiones más. En primer lugar, en la aniquilación de la antimateria, gran parte de la energía se pierde en forma de radiación gamma de alta energía , y especialmente también en forma de neutrinos , de modo que sólo alrededor del 40% de mc 2 estaría disponible si simplemente se permitiera que la antimateria se aniquilara en radiaciones. térmicamente. [36] Aun así, la energía disponible para la propulsión sería sustancialmente mayor que el ~1% del rendimiento de mc 2 de la fusión nuclear, el siguiente mejor candidato rival.
En segundo lugar, parece probable que la transferencia de calor desde los gases de escape al vehículo transfiera una enorme energía desperdiciada al barco (por ejemplo, para una aceleración de 0,1 g , acercándose a 0,3 billones de vatios por tonelada de masa del barco), considerando la gran fracción de la energía que se destina a la penetración. rayos gamma. Incluso suponiendo que se proporcionara blindaje para proteger la carga útil (y a los pasajeros de un vehículo tripulado), parte de la energía inevitablemente calentaría el vehículo y, por lo tanto, podría resultar un factor limitante si se quieren lograr aceleraciones útiles.
Más recientemente, Friedwardt Winterberg propuso que un cohete de fotones láser de rayos gamma GeV materia-antimateria es posible mediante una descarga relativista de pellizco de protón-antiprotón, donde el retroceso del rayo láser se transmite a la nave espacial mediante el efecto Mössbauer . [55]
Los cohetes que obtienen su energía de fuentes externas, como un láser , podrían reemplazar su fuente de energía interna con un colector de energía, lo que podría reducir en gran medida la masa de la nave y permitir velocidades de viaje mucho más altas. Geoffrey A. Landis propuso una sonda interestelar propulsada por un propulsor de iones alimentado por la energía transmitida desde un láser de una estación base. [56] Lenard y Andrews propusieron utilizar un láser de estación base para acelerar las bolitas de combustible nuclear hacia una nave espacial Mini-Mag Orion que las enciende para su propulsión. [57]
Un problema con todos los métodos tradicionales de propulsión de cohetes es que la nave espacial tendría que llevar consigo su combustible, lo que la haría muy masiva, de acuerdo con la ecuación del cohete . Varios conceptos intentan escapar de este problema: [36] [58]
Un propulsor de cavidad resonante de radiofrecuencia (RF) es un dispositivo que se afirma que es un propulsor de nave espacial . En 2016, el Laboratorio de Física de Propulsión Avanzada de la NASA informó haber observado un pequeño empuje aparente en una de esas pruebas, un resultado que no se ha replicado desde entonces. [59] Uno de los diseños se llama EMDrive. En diciembre de 2002, Satellite Propulsion Research Ltd describió un prototipo funcional con un supuesto empuje total de aproximadamente 0,02 newtons impulsado por un magnetrón de cavidad de 850 W. El dispositivo sólo pudo funcionar durante unas pocas docenas de segundos antes de que el magnetrón fallara debido al sobrecalentamiento. [60] La última prueba realizada en EMDrive concluyó que no funciona. [61]
Propuesto en 2019 por el científico de la NASA, Dr. David Burns, el concepto de motor helicoidal utilizaría un acelerador de partículas para acelerar las partículas hasta casi la velocidad de la luz. Dado que las partículas que viajan a tales velocidades adquieren más masa, se cree que este cambio de masa podría generar aceleración. Según Burns, en teoría la nave espacial podría alcanzar el 99% de la velocidad de la luz. [62]
En 1960, Robert W. Bussard propuso el estatorreactor Bussard , un cohete de fusión en el que una enorme pala recogería el hidrógeno difuso en el espacio interestelar, lo "quemaría" sobre la marcha mediante una reacción en cadena protón-protón y lo expulsaría del espacio. atrás. Cálculos posteriores con estimaciones más precisas sugieren que el empuje generado sería menor que la resistencia causada por cualquier diseño de pala concebible. [ cita necesaria ] Sin embargo, la idea es atractiva porque el combustible se recolectaría en el camino (de acuerdo con el concepto de recolección de energía ), por lo que, en teoría, la nave podría acelerar hasta casi la velocidad de la luz. La limitación se debe al hecho de que la reacción sólo puede acelerar el propulsor a 0,12c. Por lo tanto, la resistencia al atrapar polvo interestelar y el empuje al acelerar ese mismo polvo a 0,12c serían los mismos cuando la velocidad sea 0,12c, evitando una mayor aceleración.
Una vela ligera o una vela magnética impulsada por un láser masivo o un acelerador de partículas en el sistema estelar de origen podría alcanzar velocidades incluso mayores que los métodos de propulsión por cohete o por pulsos, porque no necesitaría transportar su propia masa de reacción y, por lo tanto, solo necesitaría acelerar la carga útil de la nave . Robert L. Forward propuso un medio para desacelerar una nave interestelar con una vela ligera de 100 kilómetros en el sistema estelar de destino sin necesidad de que haya una matriz láser presente en ese sistema. En este esquema, una vela secundaria de 30 kilómetros se despliega en la parte trasera de la nave espacial, mientras que la gran vela primaria se separa de la nave para seguir avanzando por sí sola. La luz se refleja desde la gran vela primaria hacia la vela secundaria, que se utiliza para desacelerar la vela secundaria y la carga útil de la nave espacial. [63] En 2002, Geoffrey A. Landis del Centro de Investigación Glen de la NASA también propuso un barco de vela de propulsión láser que albergaría una vela de diamante (de unos pocos nanómetros de espesor) alimentada con energía solar . [64] Con esta propuesta, esta nave interestelar sería, teóricamente, capaz de alcanzar el 10 por ciento de la velocidad de la luz. También se ha propuesto utilizar propulsión por haces para acelerar una nave espacial y propulsión electromagnética para desacelerarla; eliminando así el problema que tiene el estatorreactor Bussard con la resistencia producida durante la aceleración. [sesenta y cinco]
Una vela magnética también podría desacelerar en su destino sin depender del combustible transportado o de un haz de luz en el sistema de destino, interactuando con el plasma que se encuentra en el viento solar de la estrella de destino y el medio interestelar. [66] [67]
La siguiente tabla enumera algunos conceptos de ejemplo que utilizan la propulsión láser por haz propuesto por el físico Robert L. Forward : [68]
La siguiente tabla se basa en el trabajo de Heller, Hippke y Kervella. [69]
Lograr tiempos de viaje interestelar de inicio y fin inferiores a los de una vida humana requiere proporciones de masa de entre 1.000 y 1.000.000, incluso para las estrellas más cercanas. Esto podría lograrse mediante vehículos de varias etapas a gran escala. [50] Alternativamente, grandes aceleradores lineales podrían impulsar combustible a vehículos espaciales propulsados por fisión, evitando las limitaciones de la ecuación del cohete . [70]
Se ha propuesto el vuelo dinámico como una forma de viajar a través del espacio interestelar . [71] [72]
Las mentes humanas cargadas o la IA podrían transmitirse con señales láser o de radio a la velocidad de la luz . [73] Esto requiere un receptor en el destino que primero tendría que ser configurado, por ejemplo, por humanos, sondas, máquinas autorreplicantes (potencialmente junto con IA o humanos cargados), o una civilización alienígena (que también podría estar en una galaxia diferente). , quizás una civilización Kardashev tipo III ).
Los científicos y autores han postulado varias formas de superar la velocidad de la luz, pero incluso los más serios son altamente especulativos. [74]
También es discutible si viajar más rápido que la luz es físicamente posible, en parte debido a preocupaciones de causalidad : viajar más rápido que la luz puede, bajo ciertas condiciones, permitir viajar hacia atrás en el tiempo dentro del contexto de la relatividad especial . [75] Los mecanismos propuestos para viajes más rápidos que la luz dentro de la teoría de la relatividad general requieren la existencia de materia exótica [74] y no se sabe si podría producirse en cantidades suficientes, en todo caso.
En física, el impulso de Alcubierre se basa en el argumento, en el marco de la relatividad general y sin la introducción de agujeros de gusano , de que es posible modificar el espacio-tiempo de una manera que permita a una nave espacial viajar a una velocidad arbitrariamente grande mediante una expansión local. del espacio-tiempo detrás de la nave espacial y una contracción opuesta delante de ella. [76] Sin embargo, este concepto requeriría que la nave espacial incorporara una región de materia exótica , o el hipotético concepto de masa negativa . [76]
Una idea teórica para permitir los viajes interestelares es propulsar una nave espacial creando un agujero negro artificial y utilizando un reflector parabólico para reflejar su radiación de Hawking . Aunque está más allá de las capacidades tecnológicas actuales, una nave espacial con agujeros negros ofrece algunas ventajas en comparación con otros métodos posibles. Para que el agujero negro actúe como fuente de energía y motor también se requiere una forma de convertir la radiación de Hawking en energía y empuje. Un método potencial implica colocar el agujero en el punto focal de un reflector parabólico adjunto al barco, creando empuje hacia adelante. Un método un poco más fácil, pero menos eficiente, implicaría simplemente absorber toda la radiación gamma que se dirige hacia la proa del barco para empujarlo hacia adelante y dejar que el resto salga disparado por la parte trasera. [77] [78] [79]
Los agujeros de gusano son distorsiones conjeturales en el espacio-tiempo que los teóricos postulan que podrían conectar dos puntos arbitrarios en el universo, a través de un puente Einstein-Rosen . No se sabe si los agujeros de gusano son posibles en la práctica. Aunque existen soluciones a la ecuación de la relatividad general de Einstein que permiten la existencia de agujeros de gusano, todas las soluciones conocidas actualmente implican alguna suposición, por ejemplo la existencia de masa negativa , que puede no ser física. [80] Sin embargo, Cramer et al. Argumentan que tales agujeros de gusano podrían haber sido creados en el universo temprano, estabilizados por cuerdas cósmicas . [81] Visser analiza la teoría general de los agujeros de gusano en el libro Lorentzian Wormholes . [82]
El Proyecto Hyperion ha analizado varias cuestiones de viabilidad de los viajes interestelares tripulados. [83] [84] [85] Sus miembros continúan publicando sobre viajes interestelares tripulados en colaboración con la Iniciativa de Estudios Interestelares . [29]
La nave espacial Enzmann, como detalló G. Harry Stine en la edición de octubre de 1973 de Analog , fue un diseño para una futura nave espacial , basado en las ideas de Robert Duncan-Enzmann. La propia nave espacial propuesta utilizó una bola de 12.000.000 de toneladas de deuterio congelado para alimentar entre 12 y 24 unidades de propulsión de pulsos termonucleares. La nave espacial , que tiene el doble de altura que el Empire State Building y está ensamblada en órbita, era parte de un proyecto más amplio precedido por sondas interestelares y observación telescópica de sistemas estelares objetivo. [86]
La NASA ha estado investigando los viajes interestelares desde su formación, traduciendo importantes artículos en idiomas extranjeros y realizando los primeros estudios sobre la aplicación de la propulsión por fusión, en la década de 1960, y la propulsión láser, en la década de 1970, a los viajes interestelares.
En 1994, la NASA y el JPL copatrocinaron un "Taller sobre propulsión avanzada de la teoría cuántica/de la relatividad" para "establecer y utilizar nuevos marcos de referencia para pensar en la cuestión de la velocidad más rápida que la luz (FTL)". [87]
El Programa de Innovación en Física de Propulsión de la NASA (finalizado en el año fiscal 2003 después de un estudio de 6 años y de 1,2 millones de dólares, porque "ningún avance parece inminente") [88] identificó algunos avances que son necesarios para que los viajes interestelares sean posibles. [89]
Geoffrey A. Landis, del Centro de Investigación Glenn de la NASA, afirma que dentro de 50 años podría lanzarse un velero interestelar propulsado por láser, utilizando nuevos métodos de viaje espacial. "Creo que en última instancia lo haremos, es sólo una cuestión de cuándo y quién", dijo Landis en una entrevista. Los cohetes son demasiado lentos para enviar humanos a misiones interestelares. En lugar de ello, imagina naves interestelares con grandes velas, propulsadas por luz láser a aproximadamente una décima parte de la velocidad de la luz. Un barco de este tipo tardaría unos 43 años en llegar a Alpha Centauri si atravesara el sistema sin detenerse. Reducir la velocidad para detenerse en Alfa Centauri podría aumentar el viaje a 100 años, [90] mientras que un viaje sin reducir la velocidad plantea la cuestión de realizar observaciones y mediciones suficientemente precisas y útiles durante un sobrevuelo.
El estudio 100 Year Starship (100YSS) fue el nombre de un proyecto de un año de duración para evaluar los atributos y sentar las bases de una organización que pueda llevar adelante la visión de 100 Year Starship. Entre 2011 y 2015 se organizaron simposios relacionados con 100YSS.
Harold ("Sonny") White [91] del Centro Espacial Johnson de la NASA es miembro de Icarus Interstellar, [92] la fundación sin fines de lucro cuya misión es realizar vuelos interestelares antes del año 2100. En la reunión de 2012 de 100YSS, informó que utilizaba un láser para intentar deformar el espacio-tiempo en 1 parte en 10 millones con el objetivo de ayudar a hacer posible los viajes interestelares. [93]
En todo el mundo existen algunas organizaciones dedicadas a la investigación de la propulsión interestelar y a la defensa del caso. Estos están todavía en sus inicios, pero ya cuentan con el respaldo de una amplia variedad de científicos, estudiantes y profesionales.
Las necesidades energéticas dificultan mucho los viajes interestelares. Se ha informado que en la Conferencia Conjunta de Propulsión de 2008, varios expertos opinaron que era improbable que los humanos alguna vez exploraran más allá del Sistema Solar. [104] Brice N. Cassenti, profesor asociado del Departamento de Ingeniería y Ciencias del Instituto Politécnico Rensselaer, afirmó que se necesitaría al menos 100 veces la producción total de energía del mundo entero [en un año determinado] para enviar una sonda. a la estrella más cercana. [104]
El astrofísico Sten Odenwald afirmó que el problema básico es que a través de estudios intensivos de miles de exoplanetas detectados, la mayoría de los destinos más cercanos dentro de 50 años luz no producen planetas similares a la Tierra en las zonas habitables de la estrella. [105] Dado el gasto multimillonario de algunas de las tecnologías propuestas, los viajeros tendrán que pasar hasta 200 años viajando al 20% de la velocidad de la luz para llegar a los destinos más conocidos. Además, una vez que los viajeros lleguen a su destino (por cualquier medio), no podrán viajar a la superficie del mundo objetivo y establecer una colonia a menos que la atmósfera no sea letal. La perspectiva de hacer tal viaje, sólo para pasar el resto de la vida de la colonia dentro de un hábitat sellado y aventurarse afuera en un traje espacial, puede eliminar muchos objetivos potenciales de la lista.
Moverse a una velocidad cercana a la de la luz y encontrar incluso un pequeño objeto estacionario como un grano de arena tendrá consecuencias fatales. Por ejemplo, un gramo de materia que se mueve al 90% de la velocidad de la luz contiene una energía cinética correspondiente a una pequeña bomba nuclear (alrededor de 30 kt de TNT).
Uno de los principales obstáculos es tener suficientes instalaciones de repuestos y reparaciones a bordo para un viaje tan largo, suponiendo que todas las demás consideraciones estén resueltas, sin acceso a todos los recursos disponibles en la Tierra. [106]
Se prevé que las misiones exploratorias de alta velocidad a Alpha Centauri , según lo planeado por la iniciativa Breakthrough Starshot , sean realizables en el siglo XXI. [107] Alternativamente, es posible planificar misiones de crucero lento sin tripulación que tarden milenios en llegar. Estas sondas no beneficiarían a la humanidad en el sentido de que no se puede prever si habrá alguien en la Tierra interesado en los datos científicos retransmitidos. Un ejemplo sería la misión Génesis, [108] cuyo objetivo es llevar vida unicelular, en el espíritu de la panspermia dirigida , a planetas habitables pero por lo demás áridos. [109] Las sondas Génesis de crucero comparativamente lentas, con una velocidad típica de , correspondiente a aproximadamente , pueden desacelerarse utilizando una vela magnética . Por tanto, serían factibles las misiones sin tripulación que no redunden en beneficio humano. [110]
El 24 de agosto de 2016 se anunció el exoplaneta del tamaño de la Tierra Próxima Centauri b que orbita en la zona habitable de Próxima Centauri , a 4,2 años luz de distancia. Este es el exoplaneta potencialmente habitable más cercano conocido fuera de nuestro Sistema Solar.
En febrero de 2017, la NASA anunció que su Telescopio Espacial Spitzer había revelado siete planetas del tamaño de la Tierra en el sistema TRAPPIST-1 que orbitaban una estrella enana ultrafría a 40 años luz de distancia del Sistema Solar. [111] Tres de estos planetas están firmemente ubicados en la zona habitable, el área alrededor de la estrella madre donde es más probable que un planeta rocoso tenga agua líquida. El descubrimiento establece un nuevo récord para el mayor número de planetas en zonas habitables encontrados alrededor de una sola estrella fuera del Sistema Solar. Estos siete planetas podrían tener agua líquida (la clave para la vida tal como la conocemos) en las condiciones atmosféricas adecuadas, pero las posibilidades son mayores si los tres se encuentran en la zona habitable.
Viaje interestelar.
{{cite web}}: CS1 maint: url-status (link){{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link){{cite web}}: CS1 maint: DOI inactive as of January 2024 (link)Creo que el Proyecto Conectoma Humano mapeará el cerebro humano antes de finales de este siglo. Vamos a colocar el conectoma en un rayo láser y dispararlo a la luna. En un segundo, nuestra conciencia está en la luna. En 20 minutos estamos en Marte, ocho horas en Plutón, en cuatro años nuestra conciencia ha llegado a la estrella más cercana.
