Viajes espaciales (II)

En el anterior artículo sobre viajes espaciales vimos el problema que presenta la gravedad terrestre a cualquier intento de exploración espacial. Básicamente, elevarse a 200km sobre el nivel del mar requiere una monstruosa cantidad de energía, mientras que para pasar de estar a 100.000km en reposo relativo a estar a 100.200km necesitamos un leve empujón. Una vez escapada la gravedad terrestre estamos libres de ir a donde queramos, siempre que tomemos la precaución de no pasar demasiado cerca a una luna o un planeta que nos haga desviarnos de curso. En las películas de ciencia ficción podemos ver como el dominio sobre la dirección de desplazamiento de las naves espaciales es absoluto. En Star Wars, Han Solo hace loops con su Milenium Falcon, girando y cambiando drásticamente de curso en un instante. Las naves más grandes de la película, también pueden girar y moverse con relativa facilidad. Sin embargo, es probable que si, en algún momento le damos al espacio el desagrado de ser parte de nuestras guerras, la trayectoria de las naves dependa estrictamente de orbitas preestablecidas. La complejidad de las fuerzas gravitacionales y las velocidades que entran en juego, junto con la limitada cantidad de combustible, hacen que cualquier cambio de trayectoria sea increíblemente costoso. Es de esperar que, al menos durante unos cuantos cientos de años, los viajes a Marte se hagan cuando el planeta se acerque a nuestra posición, y que en los viajes, quizás de turismo espacial a Júpiter y otros lados, se haga usoa extensivo de la llamada “Asistencia gravittoria”, que no es más que pasar cerca de algún planeta y dejar que su gravedad nos acelere. Para ayudarnos a entender esto, podemos imaginarnos una tela estirada, sobre la cual se apoya una bola de bolos, produciendo una curva en la tela. Si tiramos una pelota lejos de la bola, la misma seguirá una trayectoria recta, pero si la hacemos pasar por la parte de la tela que se hunde por el peso de la bola, se acelerará en dirección a esta. En la siguiente imagen, tomada usando el programa Celestia se puede ver la trayectoria de la nave espacial Cassini, claramente espiral. En su camino a Saturno, la misma pasó cerca de la Tierra, Júpitery Venus, los cuales la aceleraron hacia su encuentro con el Señor de los Anillos.



Todo es relativo

Primero: Todo no es relativo. Quiero sacarme de entrada esta maldita frase que lamentablemente se popularizó. La teoría de relatividad de Einstein no dice que todo es relativo, créanme, o mejor, agarren un libro de Mecánica Cuántica y verifíquenlo. Una advertencia: la teoría de la relatividad es fundamentalmente contra-intuitiva, difícil y profundamente matemática. Sin embargo, se pueden tratar algunas de sus conclusiones en forma relativamente sencilla.
El tiempo y el espacio son relativos. Si son relativas, significa que pueden variar. ¿Cómo las hacemos variar? Bueno, yendo extremadamente rápido. Estrictamente, cualquier diferencia entre nuestra velocidad y la de otro objeto nos colocará en un tiempo distinto a este, pero la diferencia es tan ínfima que es prácticamente inexistente. Ahora, si vamos a velocidades cercanas a la velocidad de la luz (c), 300,000,000 metros por segundo, entonces empiezan a pasar cosas extrañas. Principalmente, los efectos son: la dilatación del tiempo y la contracción del espacio. La contracción del espacio básicamente implica que si corremos muy, muy, muy, muy rápido, y nos sacan una foto de costado, nuestro cuerpo se verá achatado, aunque si la sacamos nosotros mismos mientras corremos, no. Dicen que hay que “usar el sentido común”. Olvidense de eso cuando se habla de la relatividad o de la mecánica cuántica.

Ecuación de la dilatación temporal relativista



La dilatación relativista del tiempo es, en definitiva lo que nos interesa. A lo bruto, significa que el tiempo transcurre más lentamente para quien viaja más rápido. Un amigo me pidió que escriba sobre el viaje en el tiempo. Aquí esta una posibilidad. Si viajamos muy rápido, nuestro tiempo pasa muy lento. Por ejemplo, si orbitamos la Tierra a 0,9c, o a 90% la velocidad de la luz durante 2 años, para nosotros, los viajeros, habrán pasado 2 años. Para la gente que está en la Tierra, 4 años y medio. El problema se agrava si vamos más rápido. Si vamos a 0,999c, o 99,9% la velocidad de la luz, a la vuelta de nuestro viaje de 2 años, habrán pasado 44,7 años en la Tierra.
Tanto la dilatación del tiempo como la contracción del espacio actúan en conjunto. Cuando viajamos a velocidades relativistas, velocidades muy cercanas a la velocidad de la luz, se puede considerar que el trayecto que recorremos se contrae, haciendo que la distancia entre un punto y otro sea menor. De esta manera, si viajamos a Alpha Centauri, que se encuentra a poco más de 4 años luz, a una velocidad de 0.99c, llegaríamos en poco menos de 1 año. ¿No estaríamos viajando entonces, más rápido que la luz? No, parece así porque el espacio se ha contraído durante nuestro viaje. Les dije que era contra-intuitivo.

Rápido

Todo esto es muy lindo, pero no es como si podemos ir a la esquina y comprarnos un Boeing 99c que nos vaya a llevar a las estrellas a velocidades increíblemente rápidas. ¿Cómo hacemos para lograr esas velocidades? Bueno, considerando que la energía cinética depende del cuadrado de la distancia, la energía que tendríamos que estar generando para llegar a viajar a 90% la velocidad de la luz, es 300 millones de millones de veces superior a la que usa nuestro auto para llevarnos al trabajo. Es, como se dice en el mundo de la ingeniería, “un problemón”.
Sin embargo, a pesar de la aparentemente imposibilidad que se presenta, se han diseñado algunas naves espaciales con sistemas de propulsión “poco ortodoxos” que, si bien no resuelven el problema, al menos nos acercarían a los planetas más rápido que tecnologías actuales.
Antes de entrar en detalle, quiero hacer un paréntesis para remarcar lo difícil que es predecir que tecnología va a estar a la vanguardia de los sistemas de propulsión del futuro. De por sí, se trata de un campo de aplicación de la ciencia que está siempre utilizando tecnología experimental. Con la forma en la que se investigan las cosas actualmente, donde los laboratorios de 27 kilómetros de diámetro rompen partículas que ni siquiera podemos ver, es difícil saber qué va a pasar. Por lo tanto, si decidimos hoy construir una monstruosa nave espacial, cuya construcción llevaría 30 años, trillones de dólares y que nos llevaría a 0,2c, quizás en 20 años se descubre alguna nueva particularidad física que podríamos usar para construir naves una monstruosa nave que nos lleve a 0,8c. Efectivamente, es posible que si algún día mandamos una nave tripulada a otro sistema solar, la segunda nave que mandemos llegue antes que la primera.

Project Orion
Una buena manera de hacer que algo acelere rápidamente, es explotarlo. Siguiendo esta excelente idea, a algunos ingenieros se les ocurrió la osada propuesta de hacer una nave espacial cuyo sistema de propulsión sean detonaciones atómicas. Algo como una película de Hollywood donde el héroe corre de la explosión para luego ser lanzado por el aire en el momento crítico, pero reemplazando a Tom Cruise por una nave espacial de 100m y a la explosión de la fábrica de narcóticos por una bomba nuclear. A pesar del evidente peligro que sería viajar en esta nave, es una excelente idea. Un sistema de amortiguadores absorbería la tremenda sacudida y la transmitiría a la nave, que sufriría una gran aceleración durante unos instantes. Como combustible, usaría bombas atómicas, previamente destinadas y reservadas para la aniquilación de seres humanos y su hábitat. ¿Qué mejor que sacarle a un gobierno unas mil bombas nucleares para explorar el cosmos?

La nave, con su sistema de amortiguadores de impacto.


Quizás lamentablemente, el proyecto murió cuando en 1963 se firmó el Tratado de prohibición parcial de ensayos nucleares en la atmosfera, en el espacio exterior y bajo el agua. Digo quizás, porque obviamente dejar de explotar bombas nucleares es algo beneficioso, pero es una lástima, porque esta nave prometía mucho y hubiese reducido activamente el número de bombas nucleares en el mundo de haber sido construida.

Vela solar
Como mencione antes, viajar por el espacio es más parecido a viajar por el mar que viajar sobre la tierra. En el mar no solo tenemos el viento si no también las corrientes. Ambas arrastran a la nave y afectan su trayectoria. En el espacio, hay vientos solares, básicamente flujos de partículas irradiadas desde el sol, y hay campos gravitacionales que nos pueden desviar.



Una vela solar usa los vientos solares como modo de propulsión. Los mismos impactan sobre una enorme superficie, cada partícula produciendo un empuje increíblemente pequeño. Con una superficie suficiente, digamos, un disco de un kilómetro de diámetro, la fuerza transmitida por estos impactos se suma y se convierte en verdadero impulso. Si, es un impulso muy débil, pero no tenemos que llevar combustible a bordo y no se va a acabar. Dado que no hay fricción en el espacio, con una pequeña aceleración se pueden alcanzar velocidades astronómicas, si uno está dispuesto a esperar. Lo que se podría hacer, es usar una vela solar que viaje durante años, alcanzando una velocidad suficientemente grande, y luego abordarla usando otra nave de corto alcance que logre la misma velocidad con un tremendo y corto impulso. De esta manera, todos los sistemas de soporte de vida, comida, agua, medicamentos y demás, ya estarían en la vela solar hace años, esperando que lleguen sus tripulantes.
El problema de la vela solar es que a medida que nos alejamos del sol, el impulso recibido disminuye, y, dado que estamos hablando de naves capaces de viajar a otras estrellas, esto presenta un gran problema. Una posible solución es disparar láseres desde la tierra hacia la nave. El impacto de los fotones en la vela impulsaría a la vela, con la ventaja de que se puede direccionar el láser y el mismo podría seguir a la nave, dando un impulso regulable a lo largo de grandes distancias.

Propulsión iónica
Otro sistema que usa el enfoque de “poco impulso durante mucho tiempo” es la propulsión iónica. En este caso, se lleva una cantidad de gas a bordo de la nave espacial, el cual es ionizado para luego ser eyectado a gran velocidad. El consumo de gas es sumamente lento, y el impulso muy débil, pero a lo largo de años se logran velocidades increíbles.

Ensayo de propulsion iónica para la sonda Deep Space 1



Quizás este sistema se podría utilizar, al menos, para enviar nano-exploradores a distintas regiones del universo, a una fracción del costo de enviar exploradores humanos. Adicionalmente, podrían viajar durante más tiempo y cubrir mayores distancias, transmitiendo la información de vuelta a nuestro planeta.

Existen otros sistemas de propulsión, algunos más viables que otros, y les recomiendo que hagan sus propias investigaciones sobre el tema si les interesa. Hay muchísima información disponible, por lo que no quiero entrar en mucho detalle, ya que seguramente, alguien habrá explicado cada uno de estos sistemas y conceptos mejor y con mayor información de la que se encuentra acá.

Viaje de Ida

Como mencioné al principio, es posible viajar a las estrellas si se va lo suficientemente rápido. Sin embargo, cuando más rápido vamos, más nos acercamos a estar realizando un viaje de ida únicamente. Debido a la dilatación del tiempo, nuestro viaje nos estaría llevando, efectivamente, hacia el futuro. Por lo tanto, si viajamos a algún sistema solar a 20 años luz de distancia, cuando volvamos, posiblemente la tierra haya dejado de existir. Un excelente tratado sobre este tema es realizado en el libro The Forever War, de Joe Haldeman, el cual les recomiendo lean si les gustan los cuentos de ciencia ficción. Por el momento, y hasta que la física no nos presente alguna nueva extravagancia importante, esta es la triste realidad. Sin embargo, parte de mi no puede dejar de tener la esperanza de que se descubra alguna locura cuántica o algo por el estilo, que nos permita conocer el universo como en las películas, pero por el momento, la exploración de nuestro propio sistema solar va a seguir asombrándome a diario.

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14 respuestas a Viajes espaciales (II)

  1. Fanacademia dice:

    ¡La vela solar! Esto lo terminó explicando un profesor de la Facultad de Ingeniería de la UBA cuando daba presión de radiación. Lo que proponía el tipo para evitar el tiempo de espera de la aceleración inicial era utilizar una partícula de Deuterio (es el isótopo pesado del Hidrógeno) en el foco de la vela para generar la energía necesaria para el impulso inicial y acelerar la nave. Depués, usar la vela para captar la radiación y seguir el viaje.
    Para “doblar” hacia algún lado, se usaría la gravedad de planetas y estrellas (viajando a esas velocidades habría abundancia de cuerpos celestes para maniobrar).

  2. parlo dice:

    Muy bueno el artículo

  3. Anónimo dice:

    todo bien

  4. Alejandro dice:

    Interesante.. me hiciste pensar; Einstein tendría un par de cosas que decirle a George Lucas y a Gene Roddenberry

  5. leondimitri dice:

    Muy buen articulo, claro divertido, interesante.

  6. francangust dice:

    El viaje espacial tiene que pasar por un sistema de empuje que no contamine el camino y que ademas no lleve combustible,te imaginas tener que parar para llenar el deposito,ademas tiene que llevarnos no ya a la famosa velocidad de luz,sino a mas todavia,y tú diras eso no es posible por lo que dicen,pues bien yo creo que lo unico que pasara es que no habra tal problema sino que estaras en un microsegundo a la distancia que te lleve la velocidad sin mas,porque el microsegundo habra pasado para todos igual solo que tu estaras mas lejos.

    • pablo8921 dice:

      Cual es el problema de “ensuciar el camino”?????. Por otro lado, sobre el combustible, depende de que tipo de combustible vayamos a utilizar. Tampoco es que todos los vehículos tienen que parar a mitad de camino para cargar combustible, en especial cuando estas en el espacio y no necesitas tanto cuando alcanzaste la velocidad deseada. No explicaste muy bien tu ultimo pensamiento, pero me parece que no comprendiste bien el concepto de que NO SE PUEDE superar la velocidad de la luz, al menos segun la fisica moderna, si tenes alguna forma de probar lo contrario tenes una comunidad cientifica dispuesta a oirlo

  7. gos dice:

    lo de generar un impulso inicial lo bastante fuerte como para hir acelerando progresibamente con las velas solares,se podria lograr con esplosiones atomicas,,el problema es que estan no dañen la nave ni posibles tripulantes.

  8. francangust dice:

    para Pablo:Imagínate una primera nave en camino hacia Marte,traza un camino y esta funciona con las famosas explosiones nucleares,luego detrás de ella va dejando un rastro claro de radioactividad quien es el guapo que quiere ir detrás hacia el mismo lugar.
    Respecto a lo del combustible:tu crees que vas a encontrar a 3 o mas años luz de la tierra el combustible que tu has creado aquí,y ademas que empuje nos dan los combustibles que hemos creado hasta la fecha,nos da como para viajar a las velocidades que se requiere para poder llegar a un sistema cercano a nosotros en un tiempo razonable.
    Por ultimo,respecto a lo de la velocidad de la luz que no se puede sobrepasar,bien voy a intentar explicártelo de la manera mas sencilla posible.La luz como energía tiene esa característica que ella no puede sobrepasar esa velocidad porque esa energía no tiene la capacidad de ir mas rápido pero ten en cuenta que lo que esta ocurriendo en tu entorno en este microsegundo esta también ocurriendo para todo el universo solo que esa energía que tu estas creando no tiene la capacidad de viajar mas rápido y llegara a otro recóndito lugar del universo mas tarde.
    Pero también, ten presente que la evolución de la tecnología terrestre nos indica que en algún momento alguien tendrá la brillante idea de crear un sistema que será capaz de llevarnos a mas velocidad,y esto ultimo te lo puedo decir porque he sido testigo junto con mi hijo de algo que no tiene mas explicación que la de comprender que no estamos solos en el universo,yo he sido testigo de la visión de algo que lo puedo llamar nave espacial extraterrestre tanto por la manera de correr en el cielo como por las maniobras que ejecuto y por la velocidad final que adquirió,lo tengo clarito.
    Por último,espero que estos conceptos te queden claros si no lo he conseguido lo lamento.

    • ¬¬ ¬¬ dice:

      Lamento corregir algo de lo que dices, los neutrinos viajan más rápido que la velocidad de la luz,
      Por lo tanto ya en la naturaleza existe algo que tiene una velocidada mayor que la luz.

      La energía se obtiene del agua, hidrógeno en ella mas bien, y aseguro lo que quieras auqe existe en todo el universo, ya sea en forma de hielo vapor o condensada, pero de que se puede se puede encontrar el mismo combustible tanto aquí como en un par de miles de galaxias mas allá.

      Y de que existen existen, de porq eu no se presentan, será, no por la “maldad” de los humanos, eso es divertido pensar que somo una excepcion y no la regla de comportamiento en el universo jeje en fin.

      Mi punto es, ya se puede con la tecnologia qu etenemos, pero hay que ser extremadamente ingenioso de como armar el rompecabeza, y de que se necesita un poco de dinero que no se tiene al alcance del bolsillo todos los días.

      Saludos

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  10. ¬¬ ¬¬ dice:

    Saludos,
    Bueno, creo que, a miedo de parecer loco, la relatividad esta equivocada, porque tengo la leve sensacion que 2 años al 90% de la elocidad de la luz nos permite recorrer 4,162752e+17 metros o un poco mas de 40 años luz de distancia, no los 44.7 años terrestre que mencionas, recuerda que los años luz miden distancias, no tiempo.
    Si mis calculo son correctos, no se trata de diferencia de tiempo entre un lugar a otro, no de un tiempo a otro, simplemente, a mayor velocidad, mayor es la distancia recorrida, en dos años llegamos a orios sin problemas.
    Simplemnte la ecuación relativista esta un tanto desvariada,
    Con tan solo el presupuesto de la nasa de un año, podría contruir una nave de 200 metros de largo por 50metros de alto por 95 metros de ancho capaz de recorrer distancias entre galaxias
    Pero, nosotros, simples humanos, no tenemos las agallas para hacer algo asi publicamente.
    Saludos

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