Los viajes interestelares son viajes hipotéticos de naves espaciales desde un sistema estelar , una estrella solitaria o un 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 menor a 55 unidades astronómicas (UA), las estrellas suelen estar separadas por cientos de miles de UA, lo que hace que estas distancias se expresen normalmente 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]
A partir de 2024 [actualizar], 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 lo tanto, seguirán viajando por el espacio interestelar indefinidamente. Sin embargo, no se acercarán a otra estrella durante cientos de miles de años, mucho después de que hayan dejado de operar (aunque en teoría el Disco de Oro de la Voyager sería reproducible en caso de que la nave espacial sea recuperada por una civilización extraterrestre ).
Las velocidades necesarias para realizar viajes interestelares durante la vida de un ser humano superan con creces las que pueden proporcionar los métodos actuales de viaje espacial. Incluso con un sistema de propulsión hipotéticamente perfectamente eficiente, la energía cinética correspondiente a esas velocidades es enorme en comparación con los estándares actuales de desarrollo energético . Además, las colisiones de naves espaciales con polvo y gas cósmicos a esas velocidades serían muy peligrosas tanto para los pasajeros como para la propia nave espacial. [1]
Se han propuesto diversas 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 de propulsión de naves espaciales diferentes para darles las velocidades requeridas, incluida la propulsión nuclear , la propulsión impulsada por haces y métodos basados en la física especulativa. [2]
La humanidad tendría que superar considerables desafíos tecnológicos y económicos para lograr viajes interestelares tripulados o no tripulados. Incluso las visiones 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 convierten en una realidad. [3]
La mayoría de los conceptos de viajes interestelares requieren un sistema logístico espacial desarrollado capaz de trasladar millones de toneladas a un lugar de construcción u operación, y la mayoría requeriría energía a escala de gigavatios para la construcción o la energía (como los conceptos del tipo Star Wisp o Light Sail ). Un sistema de este tipo podría crecer orgánicamente si la energía solar basada en el espacio se convirtiera en un componente significativo 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 se miden a menudo en unidades astronómicas (UA), definidas como la distancia media entre el Sol y la Tierra, unos 1,5 × 10 8 kilómetros (93 millones de millas). Venus , el planeta más cercano a la Tierra, está (en su aproximación más cercana) a 0,28 UA de distancia. Neptuno , el planeta más alejado del Sol, está a 29,8 UA de distancia. A fecha de 20 de enero de 2023, la Voyager 1 , el objeto creado por el hombre más alejado de la Tierra, se encuentra a 163 UA de distancia, saliendo del Sistema Solar a una velocidad de 17 km/s (0,006 % de la velocidad de la luz). [5]
La estrella más cercana conocida, Próxima Centauri , está aproximadamente a 268.332 UA de distancia, o más de 9.000 veces más lejos que Neptuno.
Por ello, las distancias entre estrellas se expresan habitualmente en años luz (definidos como la distancia que recorre la luz en el vacío en un año juliano ) o en pársecs (un pársec equivale a 3,26 años luz, la distancia a la que la paralaje estelar es exactamente un segundo de arco , de ahí el nombre). La luz en el vacío viaja a unos 300.000 kilómetros (186.000 mi) por segundo, por lo que 1 año luz equivale aproximadamente a 9,461 × 10 12 kilómetros (5,879 billones de millas) o 63.241 UA. Por tanto, Próxima Centauri está aproximadamente a 4,243 años luz de la Tierra.
Otra forma de entender 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), puede representarse reduciendo la distancia Tierra-Sol a un metro (3,28 pies). En esta escala, la distancia a Alpha Centauri A sería de 276 kilómetros (171 millas).
La sonda espacial más rápida enviada hasta ahora, la Voyager 1 , ha recorrido 1/390 de un 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 llevaría 75.000 años. [6] [5]
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 es la masa final. Si se desea desacelerar al llegar y no se puede lograr por ningún otro medio que no sean los motores del barco, entonces el límite inferior para la energía requerida se duplica a . [ cita requerida ]
La velocidad de un viaje tripulado de ida y vuelta de unas décadas 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 [7] ( el consumo mundial de energía en 2008 fue de 143.851 teravatios-hora), [8] sin tener en cuenta la eficiencia del mecanismo de propulsión. Esta energía tiene que generarse a bordo a partir del combustible almacenado, recolectarse del medio interestelar o proyectarse a inmensas distancias.
El conocimiento de las propiedades del gas y el polvo interestelar por el que debe pasar el vehículo es esencial para el diseño de cualquier misión espacial interestelar. [9] Un problema importante con los viajes a velocidades extremadamente altas es que, debido a las altas velocidades relativas requeridas y las grandes energías cinéticas, las colisiones con el polvo interestelar podrían causar daños considerables a la nave. Se han propuesto varios métodos de protección para mitigar este problema. [10] 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. [11] Una consideración adicional es que debido a la distribución no homogénea de la materia interestelar alrededor del Sol, estos riesgos variarían entre diferentes trayectorias. [9] Aunque un medio interestelar de alta densidad puede causar dificultades para muchos conceptos de viaje interestelar, los estatorreactores interestelares y algunos conceptos propuestos para desacelerar naves espaciales interestelares, en realidad se beneficiarían de un medio interestelar más denso. [9]
La tripulación de una nave interestelar se enfrentaría a varios peligros importantes, incluidos los efectos psicológicos del aislamiento a largo plazo , 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, los huesos, el sistema inmunológico y los ojos. También existe el riesgo de impacto por micrometeoroides y otros desechos espaciales . Estos riesgos representan desafíos que aún no se han superado. [12]
El escritor de ficción especulativa y físico Robert L. Forward ha argumentado que una misión interestelar que no se puede completar en 50 años no debería iniciarse en absoluto. En cambio, suponiendo que una civilización todavía está 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 espacial lenta probablemente sería superada por otra misión enviada más tarde con una propulsión más avanzada (el postulado de la obsolescencia incesante). [13] En 2006, Andrew Kennedy calculó las fechas de salida ideales para un viaje a la estrella de Barnard utilizando un concepto más preciso del cálculo de la espera, donde para un destino dado y una tasa de crecimiento en la capacidad de propulsión hay un punto de partida que supera los lanzamientos anteriores y no será superado por los posteriores y concluyó que "un viaje interestelar de 6 años luz se puede realizar mejor en unos 635 años a partir de ahora si el crecimiento continúa a un ritmo de aproximadamente 1,4% anual", o aproximadamente en 2641 d.C. [14] Puede ser el cálculo más significativo para las culturas en competencia que ocupan la galaxia. [15]
Se conocen 59 sistemas estelares a 40 años luz del Sol, que contienen 81 estrellas visibles. Los siguientes podrían considerarse objetivos principales para misiones interestelares: [13]
La tecnología astronómica existente es capaz de encontrar sistemas planetarios alrededor de estos objetos, aumentando su potencial de exploración.
Las misiones interestelares "lentas" (aún rápidas según otros estándares) basadas en tecnologías de propulsión actuales y de futuro cercano 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 . [21] 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 un problema importante junto con la obtención de una velocidad de viaje razonable. Los conceptos propuestos incluyen el Proyecto Dédalo , el Proyecto Ícaro , el Proyecto Libélula , el Proyecto Longshot , [22] y, más recientemente, Breakthrough Starshot . [23]
En un futuro próximo, podrían ser posibles naves espaciales nanométricas que alcancen la velocidad de la luz, construidas con la tecnología de microchips existente y con un propulsor a escala nanométrica recientemente desarrollado. Los investigadores de la Universidad de Michigan están desarrollando propulsores que utilizan nanopartículas como combustible. Su tecnología se denomina "propulsor de extracción de campo de nanopartículas" o nanoFET . Estos dispositivos actúan como pequeños aceleradores de partículas que lanzan nanopartículas conductoras al espacio. [24]
Michio Kaku , un físico teórico, ha sugerido que se envíen nubes de "polvo inteligente" a las estrellas, lo que podría ser posible con los avances en nanotecnología . Kaku también señala que sería necesario enviar una gran cantidad de nanosondas debido a la vulnerabilidad de las sondas muy pequeñas a ser fácilmente desviadas por campos magnéticos, micrometeoritos y otros peligros para asegurar las posibilidades de que al menos una nanosonda sobreviva al viaje y llegue a destino. [25]
Como solución a corto plazo, se propusieron pequeñas sondas interestelares propulsadas por láser, basadas en la tecnología actual de CubeSat, en el contexto del Proyecto Dragonfly . [22]
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. [26] Se pueden distinguir por el "estado" en el que los humanos son transportados 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. Las naves generacionales no son factibles en la actualidad debido a la dificultad de construir una nave de la enorme escala requerida y a los grandes problemas biológicos y sociológicos que plantea la vida a bordo de una nave de este tipo. [27] [28] [29] [30] [31]
Los científicos y escritores han propuesto diversas técnicas para la animación suspendida , entre ellas la hibernación humana y la preservación criogénica . Aunque ninguna de ellas es práctica actualmente, ofrecen la posibilidad de contar con barcos-cama en los que los pasajeros permanezcan inertes durante la larga duración del viaje. [32]
Otra posibilidad teórica es la de una misión interestelar robótica que lleve consigo una cierta cantidad de embriones humanos congelados en su fase inicial . 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 reemplazarían a los padres humanos. [33]
El espacio interestelar no está completamente vacío; contiene billones de cuerpos helados que van desde pequeños asteroides ( nube de Oort ) hasta posibles planetas errantes . 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. [34]
Si una nave espacial pudiera promediar el 10 por ciento de la velocidad de la luz (y desacelerar en el destino, para misiones tripuladas), esto sería suficiente para llegar a Próxima Centauri en cuarenta años. Se han propuesto varios conceptos de propulsión [35] que podrían desarrollarse eventualmente para lograr esto (ver § Propulsión más abajo), pero ninguno de ellos está listo para desarrollos a corto plazo (en pocas décadas) a un costo aceptable.
Los físicos generalmente creen que viajar a velocidades superiores a la de la luz es imposible. La dilatación del tiempo relativista permite que un viajero experimente el tiempo más lentamente, cuanto más cercana sea su velocidad a la de la luz. [36] Esta aparente desaceleración se hace notoria cuando se alcanzan velocidades superiores al 80% de la velocidad de la luz. Los relojes a bordo de una nave interestelar funcionarían más lentamente 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 años (tiempo de la nave) (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 situada a 32 años luz de distancia, acelerando inicialmente a una velocidad constante de 1,03 g (es decir, 10,1 m/s2 ) durante 1,32 años (tiempo de la nave), para luego detener sus motores y navegar durante los siguientes 17,3 años (tiempo de la nave) a una velocidad constante, para luego desacelerar nuevamente durante 1,32 años-nave y detenerse en el destino. Después de una breve visita, el astronauta podría regresar a la Tierra de la misma manera. Después del viaje de ida y vuelta completo, los relojes a bordo de la nave muestran 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 de a bordo parecen funcionar con normalidad. La estrella que se encuentra frente a nosotros parece acercarse a una velocidad de 0,87 años luz por año-nave. El universo parecería contraído a lo largo de la dirección de viaje a 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, según las mediciones del astronauta.
A velocidades más altas, el tiempo a bordo transcurrirá 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, tiempo que tarda la nave. Pero la velocidad según los relojes terrestres siempre será inferior a 1 año luz por año terrestre, por lo que, cuando regrese a casa, el astronauta comprobará que en la Tierra habrán transcurrido más de 60 mil años.
Independientemente de cómo se logre, un sistema de propulsión que pudiera producir aceleración de forma continua desde el punto de partida hasta el de llegada sería el método más rápido de viajar. Un viaje con aceleración constante es aquel en el que el sistema de propulsión acelera la nave a un ritmo constante durante la primera mitad del viaje y luego la desacelera durante la segunda mitad, de modo que llega al destino estacionaria respecto del punto de partida. Si esto se realizara con una aceleración similar a la que se experimenta 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 costoso con la tecnología actual. [38]
Desde la perspectiva de un observador planetario, la nave parecerá acelerar de forma constante al principio, pero luego de forma más gradual a medida que se acerca a la velocidad de la luz (que no puede superar). Experimentará un movimiento hiperbólico . [39] 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 gravitatorio opuesto a la aceleración del motor, y el universo que se encuentra frente a ella 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 gravitatorio del observador a bordo se invertirá.
Cuando la nave llega a su destino, si intercambiara un mensaje con su planeta de origen, descubriría que ha transcurrido menos tiempo a bordo que 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 como una función de la velocidad de escape y la relación de masas, 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. [40] Es inevitable cierta transferencia de calor, lo que da lugar a una carga térmica extrema.
Por lo tanto, para los conceptos de cohetes interestelares de todas las tecnologías, un problema de ingeniería clave (que rara vez se discute explícitamente) es limitar la transferencia de calor desde la corriente de escape hacia el vehículo. [41]
Un tipo de propulsión eléctrica, las naves espaciales como Dawn utilizan un motor iónico . En un motor iónico, 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 (unos 10 6 N), pero tienen un impulso específico bajo, y eso limita su velocidad máxima. Por el contrario, los motores iónicos tienen poca fuerza, pero la velocidad máxima en principio está limitada solo por la energía eléctrica disponible en la nave espacial y en los iones de gas que se aceleran. La velocidad de escape de las partículas cargadas varía de 15 km/s a 35 km/s. [42]
Los motores eléctricos nucleares o de plasma, que funcionan durante largos períodos con un empuje bajo y están alimentados por reactores de fisión, tienen el potencial de alcanzar velocidades mucho mayores que los vehículos propulsados por productos químicos o los cohetes nucleares-térmicos. Es probable que estos vehículos 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, estarían limitados a la operación fuera del planeta, en el espacio profundo. La propulsión de naves espaciales propulsadas eléctricamente por una fuente de energía portátil, digamos un reactor nuclear , que produce solo pequeñas aceleraciones, tardaría siglos en alcanzar, por ejemplo, el 15% de la velocidad de la luz , por lo que no serían adecuados para el vuelo interestelar durante una sola vida humana. [43]
Los cohetes de fisión de fragmentos utilizan la fisión nuclear para crear chorros de alta velocidad de fragmentos de fisión, que se expulsan a velocidades de hasta 12.000 km/s (7.500 mi/s). Con la fisión, la producción de energía es de 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 alcanzar la 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 ninguna masa de reacción adicional en la relación de masas.
Gracias a los trabajos realizados a finales de los años 50 y principios de los 60, se ha logrado construir naves espaciales con motores de propulsión nuclear por pulsos , es decir, propulsadas por una serie de explosiones nucleares. Este sistema de propulsión ofrece la posibilidad de obtener un impulso específico muy elevado y una potencia específica elevada . [44]
En 1968, Freeman Dyson , miembro del equipo del Proyecto Orión, propuso una nave espacial interestelar que utilizara propulsión de pulsos nucleares que utilizara detonaciones de fusión de deuterio puro con una fracción de quema 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 permitiría un tiempo de vuelo a Alfa Centauri de 130 años. [45] Estudios posteriores indican que la velocidad máxima de crucero que teóricamente puede alcanzar una nave espacial Orión propulsada por una unidad termonuclear Teller-Ulam, suponiendo que no se ahorre combustible para reducir la velocidad, es de aproximadamente el 8% al 10% de la velocidad de la luz (0,08-0,1c). [46] Una Orión atómica (de fisión) puede alcanzar quizás el 3%-5% de la velocidad de la luz. Una nave espacial impulsada por pulsos nucleares y propulsada por unidades de propulsión de pulsos nucleares catalizadas por fusión-antimateria estaría de manera similar 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 viaje cerca de la velocidad teórica máxima. [47] Los diseños alternativos que utilizan principios similares incluyen Project Longshot , Project Daedalus y Mini-Mag Orion . El principio de propulsión de pulso nuclear externo para maximizar la potencia de supervivencia ha seguido 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 concepto de propulsión nuclear por pulsos se perfeccionó aún más con el Proyecto Daedalus mediante el uso de la fusión por confinamiento inercial activada externamente , en este caso produciendo explosiones de fusión mediante la compresión de pastillas de combustible de fusión con haces de electrones de alta potencia. Desde entonces, se han sugerido láseres , haces de iones , haces de partículas neutras y proyectiles hipercinéticos para producir pulsos nucleares con fines de propulsión. [48]
Un impedimento actual para el desarrollo de cualquier nave espacial impulsada por explosiones nucleares es el Tratado de Prohibición Parcial de Ensayos Nucleares de 1963 , que incluye una prohibición de la detonación de cualquier dispositivo nuclear (incluso si no está basado en armas) en el espacio ultraterrestre. Por lo tanto, este tratado debería ser renegociado, aunque un proyecto de la escala de una misión interestelar que utilice la 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, con su carga y sus pasajeros en su interior (ver Negación de la inercia).
Los cohetes de fusión , propulsados por reacciones de fusión nuclear , deberían poder alcanzar velocidades del orden del 10% de la de la luz, basándose únicamente en consideraciones energéticas. En teoría, un gran número de etapas podrían impulsar un vehículo a velocidades arbitrarias cercanas a la de la luz. [49] Estas "quemarían" combustibles de elementos ligeros como el deuterio, el tritio, el 3He , el 11B y el 7Li . Como la fusión produce alrededor del 0,3-0,9% 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 para la fisión, típicamente del 4-10% de la velocidad de la luz. Sin embargo, las reacciones de fusión más fácilmente alcanzables liberan una gran fracción de su energía en forma de neutrones de alta energía, que son una fuente significativa de pérdida de energía. Así pues, 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 British Interplanetary Society en 1973-1978, y el Proyecto Longshot , un proyecto estudiantil patrocinado por la NASA y la Academia Naval de los EE. UU. , completado en 1988. Otro sistema de vehículo bastante detallado, "Discovery II", [50] 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 de la nave de ~1700 toneladas métricas y una fracción de carga útil superior al 10%. Aunque estos aún están muy lejos de los requisitos para los viajes interestelares en escalas de tiempo humanas, el estudio parece representar un punto de referencia razonable hacia lo que puede ser alcanzable dentro de varias décadas, lo que no está imposiblemente más allá del estado actual de la técnica. Basándose en la fracción de quemado del 2,2% del concepto, se 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. [35] Si se encuentran recursos energéticos y métodos de producción eficientes para fabricar antimateria en las cantidades requeridas y almacenarla [51] [52] de forma segura, sería teóricamente posible alcanzar velocidades de varias decenas de por ciento de la de la luz. [35] Es dudoso que la propulsión de antimateria pueda conducir a velocidades más altas (>90% de la de la luz) a las que la dilatación del tiempo relativista se haría más notoria, haciendo 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. [35] [53]
Al especular sobre la viabilidad de la producción y el almacenamiento de antimateria, 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 solo alrededor del 40% de mc2 estaría realmente disponible si se permitiera simplemente que la antimateria se aniquilara en radiaciones térmicamente. [35] Aun así, la energía disponible para la propulsión sería sustancialmente mayor que el rendimiento de ~1% de mc2 de la fusión nuclear, el siguiente mejor candidato rival.
En segundo lugar, es probable que la transferencia de calor desde el escape al vehículo transfiera una enorme cantidad de energía desperdiciada al barco (por ejemplo, para una aceleración del barco de 0,1 g , se aproxima a 0,3 billones de vatios por tonelada de masa del barco), considerando la gran fracción de energía que se destina a la penetración de los rayos gamma. Incluso suponiendo que se proporcionara un 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 de materia-antimateria GeV es posible mediante una descarga de pinzamiento protón-antiprotón relativista, donde el retroceso del rayo láser se transmite por el efecto Mössbauer a la nave espacial. [54]
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 mayores. Geoffrey A. Landis propuso una sonda interestelar impulsada por un propulsor de iones alimentado por la energía que se le transmite desde un láser de una estación base. [55] Lenard y Andrews propusieron usar un láser de una estación base para acelerar las pastillas de combustible nuclear hacia una nave espacial Mini-Mag Orion que las enciende para propulsarlas. [56]
Un problema con todos los métodos tradicionales de propulsión de cohetes es que la nave espacial necesitaría llevar consigo su combustible, lo que la haría muy masiva, de acuerdo con la ecuación del cohete . Varios conceptos intentan escapar de este problema: [35] [57]
Un propulsor de cavidad resonante de radiofrecuencia (RF) es un dispositivo que se afirma que es un propulsor de naves espaciales . 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. [58] 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 podría funcionar solo durante unas pocas docenas de segundos antes de que el magnetrón fallara, debido al sobrecalentamiento. [59] La última prueba del EMDrive concluyó que no funciona. [60]
El concepto de motor helicoidal, propuesto en 2019 por el científico de la NASA Dr. David Burns, utilizaría un acelerador de partículas para acelerar las partículas hasta alcanzar velocidades cercanas a la de la luz. Dado que las partículas que viajan a esas velocidades adquieren más masa, se cree que este cambio de masa podría generar aceleración. Según Burns, la nave espacial podría alcanzar teóricamente el 99 % de la velocidad de la luz. [61]
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 por la parte trasera. Cálculos posteriores con estimaciones más precisas sugieren que el empuje generado sería menor que la resistencia causada por cualquier diseño de pala concebible. [ cita requerida ] Sin embargo, la idea es atractiva porque el combustible se recogería en el camino (en consonancia con el concepto de recolección de energía ), por lo que la nave podría acelerar teóricamente hasta cerca de la velocidad de la luz. La limitación se debe al hecho de que la reacción solo puede acelerar el propulsor a 0,12c. Por lo tanto, la resistencia de atrapar polvo interestelar y el empuje de acelerar ese mismo polvo a 0,12c serían los mismos cuando la velocidad es de 0,12c, lo que evita 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 potencialmente velocidades incluso mayores que los métodos de propulsión por cohete o pulso, porque no necesitaría llevar 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 requerir que haya una matriz láser presente en ese sistema. En este esquema, se despliega una vela secundaria de 30 kilómetros 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 a la vela secundaria, que se utiliza para desacelerar la vela secundaria y la carga útil de la nave espacial. [62] En 2002, Geoffrey A. Landis del centro de investigación Glen de la NASA también propuso una nave de vela de propulsión impulsada por láser que albergaría una vela de diamante (de unos pocos nanómetros de espesor) alimentada con el uso de energía solar . [63] Con esta propuesta, esta nave interestelar podría alcanzar, teóricamente, el 10 por ciento de la velocidad de la luz. También se ha propuesto utilizar propulsión por haz para acelerar una nave espacial, y propulsión electromagnética para desacelerarla; eliminando así el problema que tiene el estatorreactor Bussard con el arrastre producido durante la aceleración. [64]
Una vela magnética también podría desacelerar en su destino sin depender del combustible transportado o de un rayo impulsor en el sistema de destino, al interactuar con el plasma que se encuentra en el viento solar de la estrella de destino y el medio interestelar. [65] [66]
La siguiente tabla enumera algunos conceptos de ejemplo que utilizan propulsión láser con haz según lo propuesto por el físico Robert L. Forward : [67]
La siguiente tabla se basa en el trabajo de Heller, Hippke y Kervella. [68]
Para lograr tiempos de viaje interestelar de arranque y parada inferiores a los de una vida humana se requieren relaciones de masas de entre 1.000 y 1.000.000, incluso para las estrellas más cercanas. Esto se podría lograr mediante vehículos de varias etapas a gran escala. [49] Alternativamente, grandes aceleradores lineales podrían propulsar combustible para vehículos espaciales propulsados por fisión, evitando las limitaciones de la ecuación del cohete . [69]
Se ha propuesto el vuelo dinámico como forma de viajar a través del espacio interestelar . [70] [71]
Las mentes humanas cargadas o la IA podrían transmitirse con señales láser o de radio a la velocidad de la luz . [72] 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 extraterrestre (que también podría estar en una galaxia diferente, tal vez una civilización tipo Kardashev III ).
Una idea teórica para permitir el viaje interestelar es propulsar una nave espacial mediante la creación de un agujero negro artificial y el uso de un reflector parabólico para reflejar su radiación de Hawking . Aunque está más allá de las capacidades tecnológicas actuales, una nave espacial con agujero negro 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 unido a la nave, creando un 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 de la nave para empujarla hacia adelante, y dejar que el resto salga disparado por la parte trasera. [73] [74] [75]
Los científicos y autores han postulado diversas formas mediante las cuales sería posible superar la velocidad de la luz, pero incluso los más serios son altamente especulativos. [76]
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 . [77] Los mecanismos propuestos para viajar más rápido que la luz dentro de la teoría de la relatividad general requieren la existencia de materia exótica [76] y no se sabe si podría producirse en cantidades suficientes, si es que se puede producir.
En física, el impulso de Alcubierre se basa en un 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 con una velocidad arbitrariamente grande mediante una expansión local del espacio-tiempo detrás de la nave espacial y una contracción opuesta frente a ella. [78] Sin embargo, este concepto requeriría que la nave espacial incorporara una región de materia exótica , o el concepto hipotético de masa negativa . [78]
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 de Einstein-Rosen . No se sabe si los agujeros de gusano son posibles en la práctica. Aunque hay soluciones a la ecuación de Einstein de la relatividad general que permiten los agujeros de gusano, todas las soluciones conocidas actualmente implican algún supuesto, por ejemplo la existencia de masa negativa , que puede ser no física. [79] Sin embargo, Cramer et al. argumentan que tales agujeros de gusano podrían haber sido creados en el universo primitivo, estabilizados por cuerdas cósmicas . [80] La teoría general de los agujeros de gusano es discutida por Visser en el libro Lorentzian Wormholes . [81]
El Proyecto Hyperion ha estudiado varias cuestiones de viabilidad de los viajes interestelares tripulados. [82] [83] [84] Entre los resultados notables del proyecto se incluyen una evaluación de las arquitecturas de los sistemas de naves mundiales y el tamaño adecuado de la población. [85] [86] [87] [88] Sus miembros siguen publicando sobre viajes interestelares tripulados en colaboración con la Iniciativa para Estudios Interestelares . [28]
La nave espacial Enzmann, tal como la detalló G. Harry Stine en la edición de octubre de 1973 de Analog , fue un diseño para una futura nave espacial , basada en las ideas de Robert Duncan-Enzmann. La nave espacial en sí, tal como se propuso, utilizó una bola de 12.000.000 de toneladas de deuterio congelado para alimentar entre 12 y 24 unidades de propulsión de pulso termonuclear. Con una longitud dos veces mayor que la del Empire State Building y ensamblada en órbita, la nave espacial fue parte de un proyecto más grande precedido por sondas interestelares y observación telescópica de sistemas estelares objetivo. [89]
La NASA ha estado investigando los viajes interestelares desde su formación, traduciendo importantes artículos en idiomas extranjeros y realizando estudios tempranos sobre la aplicación de la propulsión de 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 patrocinaron conjuntamente un "Taller sobre propulsión avanzada con teoría cuántica/relativa" para "establecer y utilizar nuevos marcos de referencia para pensar sobre la cuestión de la velocidad de la luz (FTL)". [90]
El Programa de Física de Propulsión Innovadora de la NASA (finalizado en el año fiscal 2003 después de un estudio de seis años y 1,2 millones de dólares, porque "no parece que haya avances inminentes"). [91] identificó algunos avances necesarios para que los viajes interestelares sean posibles. [92]
Geoffrey A. Landis , del Centro de Investigación Glenn de la NASA , afirma que es posible que en 50 años se lance una nave interestelar propulsada 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 en misiones interestelares. En cambio, imagina naves interestelares con velas extensas, propulsadas por luz láser a aproximadamente una décima parte de la velocidad de la luz. Una nave de este tipo tardaría unos 43 años en llegar a Alpha Centauri si atravesara el sistema sin detenerse. Disminuir la velocidad para detenerse en Alpha Centauri podría aumentar el viaje a 100 años, [93] mientras que un viaje sin reducir la velocidad plantea la cuestión de realizar observaciones y mediciones lo suficientemente precisas y útiles durante un vuelo de aproximación.
El estudio 100 Year Starship (100YSS) fue el nombre de un proyecto de un año para evaluar los atributos y sentar las bases para una organización que pueda llevar adelante la visión de 100 Year Starship. Se organizaron simposios relacionados con 100YSS entre 2011 y 2015.
Harold ("Sonny") White [94] del Centro Espacial Johnson de la NASA es miembro de Icarus Interstellar, [95] la fundación sin fines de lucro cuya misión es hacer realidad los vuelos interestelares antes del año 2100. En la reunión de 2012 de 100YSS, informó sobre el uso de 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. [96]
Existen en todo el mundo unas cuantas organizaciones dedicadas a la investigación y la defensa de la propulsión interestelar. Estas organizaciones aún están en sus inicios, pero ya cuentan con el respaldo de una amplia variedad de miembros científicos, estudiantes y profesionales.
Los requisitos energéticos hacen que los viajes interestelares sean muy difíciles. Se ha informado de que en la Conferencia de Propulsión Conjunta de 2008, varios expertos opinaron que era improbable que los seres humanos pudieran explorar más allá del Sistema Solar. [107] Brice N. Cassenti, profesor asociado del Departamento de Ingeniería y Ciencia del Instituto Politécnico Rensselaer, afirmó que se necesitarían 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. [107]
El astrofísico Sten Odenwald afirmó que el problema básico es que, tras estudios intensivos de miles de exoplanetas detectados, la mayoría de los destinos más cercanos en un radio de 50 años luz no ofrecen planetas similares a la Tierra en las zonas habitables de la estrella. [108] 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 hasta la superficie del mundo de destino y establecer una colonia a menos que la atmósfera no sea letal. La perspectiva de hacer un viaje así, solo para pasar el resto de la vida de la colonia dentro de un hábitat sellado y aventurarse al exterior con un traje espacial, puede eliminar muchos objetivos potenciales de la lista.
El hecho de desplazarse a una velocidad cercana a la de la luz y chocar con un objeto inmóvil, aunque sea diminuto, como un grano de arena, tendrá consecuencias fatales. Por ejemplo, un gramo de materia que se desplaza al 90% de la velocidad de la luz contiene una energía cinética equivalente a la de una pequeña bomba nuclear (de unos 30 kt de TNT).
Uno de los principales obstáculos es no tener suficientes instalaciones de repuestos y reparaciones a bordo para un viaje tan largo, suponiendo que se resuelvan todas las demás consideraciones, sin acceso a todos los recursos disponibles en la Tierra. [109]
Se prevé que las misiones exploratorias de alta velocidad a Alpha Centauri , previstas en la iniciativa Breakthrough Starshot , se puedan realizar en el siglo XXI. [110] Alternativamente, es posible planificar misiones de crucero lento sin tripulación que tarden milenios en llegar. Estas sondas no serían para beneficio humano en el sentido de que no se puede prever si habría alguien en la Tierra interesado en los datos científicos que se transmitieran de vuelta. Un ejemplo sería la misión Génesis, [111] que tiene como objetivo llevar vida unicelular, en el espíritu de la panspermia dirigida , a planetas habitables pero por lo demás estériles. [112] Las sondas Génesis de crucero comparativamente lento, con una velocidad típica de , correspondiente a unos , se pueden desacelerar utilizando una vela magnética . Por tanto, serían factibles las misiones sin tripulación que no fueran para beneficio humano. [113]
El 24 de agosto de 2016 se anunció la presencia de un 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. Se trata del 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 orbitan una estrella enana ultrafría a 40 años luz de distancia del Sistema Solar. [114] 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 la zona habitable encontrados alrededor de una sola estrella fuera del Sistema Solar. Todos estos siete planetas podrían tener agua líquida (la clave para la vida tal como la conocemos) bajo las condiciones atmosféricas adecuadas, pero las probabilidades son mayores con los tres en la zona habitable.
Viajes interestelares.
{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link){{cite web}}: CS1 maint: DOI inactive as of January 2024 (link)Creo que antes de finales de este siglo el Proyecto Conectoma Humano mapeará el cerebro humano. Pondremos el conectoma en un rayo láser y lo lanzaremos a la Luna. En un segundo, nuestra conciencia estará en la Luna. En 20 minutos estaremos en Marte, ocho horas en Plutón, en cuatro años nuestra conciencia habrá llegado a la estrella más cercana.
