¿Será posible el vuelo
en el espacio profundo?

A seis décadas del comienzo de la era espacial, la humanidad es todavía como una persona encerrada en su casa y que no puede salir. Varios cientos de astronautas se asomaron al pórtico, en órbita terrestre baja, y solo unos treinta pudieron salir al jardín: la luna. Solo doce llegaron a caminar sobre su superficie.

Algunas naves espaciales no tripuladas pudieron visitar las casas vecinas, como Marte, Venus, Júpiter y Saturno, y solo cinco naves espaciales no tripuladas recorrieron distancias mayores: dos naves espaciales Voyager, lanzadas a fines de la década de 1970 y que están en el borde del sistema solar, y la nave espacial New Horizons que pasó Plutón en 2015, con la esperanza de llegar al borde del sistema solar a fines de la próxima década. Las otras dos son Pioneer-10 y 11, que aún se están alejando del sol, pero sus instrumentos dejaron de funcionar y el contacto con ellas se perdió hace dos décadas.

Nuestro sistema solar es solo uno de muchos. Nuestra galaxia, la Vía Láctea, contiene alrededor de 200 mil millones de soles, y ya sabemos que muchos de ellos probablemente tienen planetas . Nuestra propia galaxia, la Vía Láctea, es solo una de muchísimas : estimaciones conservadoras hablan de 100 000 millones de galaxias en todo el universo. Estas magnitudes son muy difíciles de comprender. El diámetro de la Vía Láctea es de aproximadamente cien mil años luz. En otras palabras, si nos moviéramos a la velocidad de la luz, nos tomaría 100 000 años cruzarla de extremo a extremo.

El sol más cercano, Próxima Centauri, está a 4,25 años luz de distancia de nosotros. Si tuviéramos medios para viajar a la velocidad de la luz, nos llevaría más de cuatro años llegar hasta allí. Recientemente se descubrió un planeta en órbita alrededor de este sol  que se considera similar a la Tierra, pero ¿cuáles son nuestras posibilidades de visitarlo? Incluso nuestra nave espacial más rápida aún está lejos de viajar a la velocidad de la luz. Si la nave espacial New Horizons, que recorre más de un millón de kilómetros al día, se dirigiera a Próxima Centauri, ¡el viaje le tomaría aproximadamente 70 mil años!

¿Podrán los viajes de la humanidad alguna vez acercarse a la velocidad de la luz? ¿Podremos visitar otros sistemas solares? La respuesta a estas preguntas puede no solo satisfacer nuestra curiosidad sino también salvarnos. Después de todo, la vida de la Tierra se extinguirá en unos cinco mil millones de años, cuando el sol se expanda y la trague. Pero mucho antes de eso, la Tierra puede estar en peligro de destrucción de todos modos: una colisión con un gran asteroide o un desastre provocado por el hombre podría obligar a la humanidad a buscar un nuevo hogar.

En las últimas décadas se han estado debatiendo varias tecnologías que podrían permitirnos sobrepasar los límites del espacio más cercano. Algunas de ellas son aún bastante improbables, mientras que otras parecen más prácticas, incluso teniendo en cuenta que su implementación requerirá muchos años de investigación y desarrollo.

El material más caro del mundo

En 1928, el físico británico Paul Dirac predijo la existencia de una partícula extraña, un antielectrón. Desarrolló las ecuaciones que describen el comportamiento de los electrones y concluyó que permiten la existencia de una partícula idéntica, pero con una carga positiva en lugar de negativa. Unos años más tarde se hizo evidente que estas partículas no solo son un extraño resultado de un cálculo matemático, sino que realmente existen. De hecho, no solo existen los antielectrones (o positrones), sino también los antiprotones, y estos pueden ensamblar átomos completos de antimateria. Cuando una antipartícula se encuentra con su partícula correspondiente, se aniquilan una a la otra y se produce una tremenda cantidad de energía.

La energía liberada por este encuentro de materia y antimateria puede, en teoría, impulsar cohetes y naves espaciales a una velocidad increíble. Los físicos creen que solo cuatro miligramos de positrones son suficientes para permitir que una nave espacial llegue al planeta Marte en unas cuantas semanas, en lugar de nueve meses, que le lleva hoy en día. Pero obtener tales cantidades de antimateria no es algo simple. Los físicos que trabajan con grandes aceleradores de partículas como en CERN son capaces de producir decenas o cientos de átomos de antihidrógeno, pero esta cantidad está muy lejos de ser suficiente para aplicaciones prácticas.

Actualmente se considera a la antimateria como el producto más caro del mundo. El precio de un gramo se estima en billones de dólares, aunque nadie puede producir una cantidad ni siquiera cercana a esa. La tremenda energía requerida para producir antimateria ha reducido aún más el interés. Los motores de antimateria pueden convertirse en una herramienta importante para impulsar naves espaciales, pero solo si encontramos una forma efectiva de producirla o, como alternativa, desarrollamos los medios para recolectar antimateria en el espacio.

Una enorme cantidad de energía, pero con un costo de billones de dólares. Simulación de un cohete antimateria | Crédito de foto: NASA

Explosión nuclear en el espacio

Otra forma que permitiría a las naves espaciales recorrer grandes distancias es usando energía nuclear. En la actualidad los satélites y las naves espaciales son asistidos por generadores nucleares para producir electricidad. Tales dispositivos son activados por material radiactivo, principalmente plutonio, que crea electricidad a partir del calor generado por su descomposición. Los generadores nucleares proporcionan energía para operar los instrumentos de las naves espaciales, particularmente en misiones de larga duración y lejos del sol, donde no hay suficiente luz para la producción de energía solar.

Los generadores radiactivos están diseñados para un uso prolongado, pero no producen un empuje que pueda acelerar una nave espacial. La considerable potencia requerida para un empuje significativo se puede obtener de una explosión nuclear, como la de una bomba atómica. "Podríamos construir una nave espacial con un gran escudo de radiación en su parte trasera, a través del cual podríamos lanzar las bombas. La radiación de la explosión empujaría la nave espacial hacia adelante, y con numerosas bombas de este tipo se puede alcanzar una velocidad decente ", dice el ingeniero aeroespacial Yoav Landsman, ingeniero en jefe de sistemas de SpaceIL, la organización que intenta hacer aterrizar una nave espacial israelí no tripulada en la Luna, y que escribe el popular blog espacial Critical Mass. Este no es un mal uso alternativo para las bombas atómicas, y ciertamente es mejor que su uso original. Incluso es posible en teoría, pero probablemente no en aplicaciones cercanas, principalmente debido a problemas de seguridad".

En las décadas de 1950 y 1960 se hicieron cálculos que indicaban que esas naves espaciales nucleares pueden alcanzar una décima parte de la velocidad de la luz; esta velocidad nos permitiría viajar a Plutón y regresar en menos de un año. Pero incluso a esta gran velocidad, todavía nos llevaría varias décadas alcanzar un sistema solar cercano, y una nave espacial tripulada enfrentaría el peligro de la radiación. Los planes iniciales para esas naves espaciales de propulsión nuclear no se han desarrollado aún debido a cuestiones de seguridad y a la prohibición de ensayos nucleares.

No es un mal uso para una bomba atómica, pero probablemente no sea aplicable por el momento. Yoav Landsman | Crédito de foto: álbum privado

Reactor de fusión y un embudo

El proceso inverso al de la fisión nuclear, o una explosión atómica, se llama fusión nuclear. En lugar de utilizar la descomposición nuclear de un átomo grande como el uranio, se fusionan átomos pequeños, como el hidrógeno, para crear un núcleo atómico ligeramente más grande, como el helio. Este proceso ocurre regularmente en el sol y produce mucha energía. Este proceso es mucho más seguro en comparación con el proceso de fisión porque no emite material radiactivo.

El mayor inconveniente de la fusión nuclear es la gran cantidad de energía que se requiere para comenzar el proceso. Las bombas de hidrógeno, que producen cien veces más energía que las bombas atómicas normales, son iniciadas por el proceso de fisión nuclear, que a su vez proporciona la energía necesaria para la fusión. Los científicos sueñan con la fusión en frío, que no requiere el tremendo calor del sol o una bomba nuclear, pero tal cosa sigue siendo todavía un sueño.

Un reactor de fusión nuclear puede resolver el problema de la velocidad de vuelo en el espacio porque proporcionaría aún más energía que las bombas atómicas y sin problemas de seguridad. Además, el espacio no está completamente vacío y tiene bastantes átomos de hidrógeno flotando en él. Si tuviéramos una manera de recolectarlos para mantener la fusión, tendríamos energía aparentemente interminable para un viaje muy rápido a través del espacio.

El físico estadounidense Robert Bussard, que inventó el concepto, calculaba que un motor así, conocido como el Ramjet, con un peso de mil toneladas, sería capaz de mantener una aceleración constante de 1g (la aceleración normal que sentimos cuando nos atrae la gravedad de la Tierra y a la que nuestros cuerpos están acostumbrados) . Un vuelo de un año a tal aceleración llevará una nave espacial al 77 por ciento de la velocidad de la luz, haciendo posible el viaje interestelar.

Además, según la teoría de la relatividad de Einstein, el tiempo se mueve más lentamente a medida que la velocidad del cuerpo se aproxima a la velocidad de la luz. En teoría, una nave espacial que viajara a esa velocidad podría cruzar todo el universo visible durante la vida de los tripulantes, aunque fuera de la nave espacial habrían pasado miles de millones de años.

El físico estadounidense Michio Kaku afirmó en su libro Física de lo imposible que, para reunir suficientes átomos de hidrógeno en el espacio para operar una nave espacial de este tipo, el motor necesitaría un embudo con un diámetro de 160 km. En teoría es posible ensamblar un dispositivo de este tipo en el espacio, donde hay una gravedad cercana a cero, para producir un motor espacial que pueda llevar a la humanidad a los bordes del universo sin la necesidad de combustible adicional. El problema es que no sabemos construir un reactor efectivo para producir fusión de hidrógeno sin gastar más energía de la que produce. Sin esto, seguiremos teniendo problemas de energía, y los vuelos de enormes distancias en gigantescas naves espaciales seguirán siendo un sueño lejano.

Un embudo gigante para recolectar hidrógeno y un reactor de fusión nuclear. Simulación del ramjet | Crédito de foto: NASA

Leven anclas, icen la vela

La radiación solar se usa en la actualidad para generar electricidad para naves espaciales y satélites, pero una de las ideas más interesantes es usarla como impulsor en el espacio. La luz solar ejerce una presión pequeña pero constante que aparentemente podría usarse para viajar por el espacio. Esto se puede hacer utilizando algún tipo de vela que se usaría para reflejar la radiación, causando que la vela sea empujada desde el sol hacia adelante. La vela debe ser muy ligera y muy grande en relación con la nave espacial. También se requiere un esquema para desplegar la vela en el espacio, lo que es mucho más complicado que abrirla en la Tierra, en ausencia de aire.

Después de varios intentos fallidos, en el 2010 se lanzó con éxito una nave espacial japonesa llamada IKAROS (abreviatura del inglés “Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun”). El nombre se refiere al hijo de Dédalo en la mitología griega, que construyó alas para escapar de la torre de una prisión, pero en esta historia, Ícaro murió al acercarse al sol debido a que se derritió la cera que unía sus plumas. La nave espacial IKAROS es impulsada por una vela de 196 metros cuadrados (14metros por 14 metros). Algunas secciones cambian de color con la ayuda de una delgada pantalla de cristal líquido o LCD, lo que hace posible cambiar la cantidad de radiación devuelta y, por lo tanto, conducir la nave espacial y cambiar su dirección de vuelo.

"La aplicación del sistema de energía de velas solares en una nave espacial tripulada mucho más grande debería tener en cuenta la masa de la nave espacial. La vela debe ser proporcionalmente mayor. Una nave espacial grande requeriría una vela enorme, en una escala de varios kilómetros cuadrados, o incluso de cientos de kilómetros cuadrados. Es un enorme desafío", dice Landsman. "Por otro lado, la ventaja de dicha nave espacial es que no consume combustible. Sin embargo, otro problema es cómo reducir la velocidad de una nave espacial después de que haya acelerado tanto y, por supuesto, cómo traerla de vuelta a casa. Para eso puede ser necesario que aproveche la radiación de otros soles que visitará".

La nave espacial se conduce utilizando los cambios de color. Simulación de IKAROS en el espacio | Crédito de foto: Andrzej Mirecki, Wikipedia

Un láser que aún no existe.

Si la radiación puede acelerar la vela de una nave espacial, ¿por qué conformarnos con la radiación solar? Un nuevo emprendimiento que generó mucho interés público y mediático este año ha sugerido lanzar algunas naves espaciales relativamente pequeñas impulsándolas con un potente rayo láser. "Naves espaciales del tamaño de un teléfono inteligente, con una vela de unos pocos metros cuadrados y un potente rayo láser con un diámetro de varios metros enfocado únicamente en la vela, podrán alcanzar un quinto de la velocidad de la luz y, por lo tanto, alcanzar el sistema solar de Próxima Centauri en menos de 20 años", explica el profesor Avi Loeb, jefe del Departamento de Astronomía de la Universidad de Harvard y jefe del comité asesor de Breakthrough Starshot (Disparo estelar), una nueva empresa financiada por el magnate ruso Yuri Milner, junto con socios como el profesor Stephen Hawking y el fundador de Facebook, Mark Zuckerberg.

El plan es desplegar las velas solares de las naves en la órbita terrestre después de haberlas enviado al mismo mediante un cohete convencional y luego empujarlas con un láser instalado en Tierra durante unos minutos, hasta que alcancen su velocidad máxima.  "Aún no existe un láser que produzca los niveles de energía requeridos para tal hazaña, que son similares a la energía requerida para el lanzamiento de un transbordador espacial. Sin embargo, esto se ha vuelto posible gracia a que se ha descubrido, en los últimos años, la forma de fusionar varios rayos pequeños en un haz potente, y gracias al avance de la miniaturización de la electrónica", dijo Loeb. "Actualmente, las naves espaciales impulsadas químicamente obtienen una velocidad de 15 a 20 kilómetros por segundo, y ello apenas ha progresado desde el comienzo de la era espacial. Queremos ser mil veces más rápidos, utilizando un breve impulso láser en cada nave espacial. Este será un gran salto adelante, y no es imposible".

Milner, entusiasta del espacio, fue llamado Yuri en homenaje al primer cosmonauta, Yuri Gagarin. Invirtió 100 millones de dólares en estudios de factibilidad que deberían llevar varios años. Esta fase de prueba incluye el examen de la efectividad de dicho sistema en una cámara de vacío en la Tierra, para ver si la nave espacial puede alcanzar la velocidad deseada. Se calcula que el costo total del proyecto superará los 10 mil millones de dólares, pero el equipo está seguro de que si la tecnología resulta factible, no será difícil conseguir el dinero de inversores entusiastas.

Una velocidad mil veces mayor que la alcanzada con la propulsión química corriente. Simulación de los rayos láser enfocados | Crédito de foto: Starshot Breakthrough

Loeb y Milner, ambos de 55 años, esperan vivir lo suficiente para ver a sus naves espaciales llegar al sistema solar Centauri, a pesar del tiempo de vuelo de veinte años, sumándole cuatro años para que las señales de datos de la nave espacial Centauri vuelvan a nosotros. Otra limitación de la nave espacial es su incapacidad para regresar, detenerse o incluso reducir la velocidad cuando pasará a su destino. "Simplemente pasará al lado del sistema solar y continuará su camino", dijo Loeb. "Pero la información que enviará abrirá una nueva puerta para obtener información sobre el sistema solar más cercano".

Loeb está convencido de que las pequeñas naves espaciales a vela son la clave para estudiar el universo, e incluso en nuestra búsqueda de un nuevo hogar para la humanidad, en un futuro lejano. "Uno puede explorar todo tipo de cosas con telescopios, pero nada sustituye el visitar nuevos lugares, y esto se puede hacer con una vela espacial, tal como lo hizo Colón en una nave a vela al descubrir el Nuevo Mundo. La nave espacial nos permitirá no solo alcanzar otros sistemas solares, sino también explorar mejor nuestro propio sistema solar. Podremos enviar naves espaciales a las lunas de Júpiter en menos de un día y a Plutón en tres días. Hoy, tales tareas requieren un viaje de muchos años"

Tal vez las naves espaciales a vela abrirán el universo, pero la posibilidad de que las personas vuelen en ellas y abandonen el sistema solar es aún muy remota. "Para lanzar misiones tripuladas, de muchos años de duración, se requiere una nave espacial de miles de toneladas, y naves de esta magnitud requerirán propulsión de fusión nuclear", admitió Loeb. Una de las ventajas de nuestro sistema es el pequeño tamaño de las naves, y pasarán al menos cincuenta o cien años antes de que sepamos si es posible desarrollar dicha tecnología para vuelos tripulados. Supongo que en un futuro lejano las personas podrán abandonar el sistema solar, pero puede que no sea necesario. Puede ser que la tecnología nos permita combinar la vida humana con componentes robóticos y, en lugar de enviar personas a lugares lejanos, podremos enviar solo nuestras mentes"

Un salto gigante, pero posible. Prof. Avi Loeb | Crédito de foto: Kris Snibbe, Harvard Gazette

Ciudades voladoras

Incluso si se materializaran las nuevas tecnologías, obviamente los vuelos tripulados que cubrieran la extensión del universo requerirán enormes naves espaciales, una especie de "ciudad voladora", en la que las personas puedan llevar una vida plena durante muchos años. "No creo que nadie acepte viajar durante un período tan largo, incluso dentro de una estructura como la Estación Espacial Internacional", dice Landsman. "Se necesitará algo completamente nuevo: naves espaciales gigantes que, de acuerdo con nuestras tecnologías existentes, tendrán que enviarse al espacio en segmentos y ensamblarse en órbita terrestre. Y puede haber otros métodos, tales como congelar o anestesiar a los astronautas durante la mayor parte del viaje".

Ya sea que los pasajeros estén despiertos o dormidos, los diseñadores de naves espaciales también tendrán que tener en cuenta los efectos de los viajes espaciales en los humanos, que no son simples. Una estadía prolongada en condiciones de gravedad cercana a cero provoca la destrucción de músculos, huesos y otros tejidos, incluso si solo son unos pocos meses en el espacio. Se tendrá que descubrir una solución para un vuelo que dure años, por ejemplo, la creación de gravedad artificial dentro de la nave espacial. Otros problemas que pueden hacer tan difícil ese viaje al espacio incluyen la fuerte radiación, que es peligrosa tanto para los seres humanos como para el equipo de la nave, y el impacto de meteoritos u otros objetos celestes. La solución a estos dos peligros incluye blindar la nave espacial, lo que resulta en que sea aún más pesada, voluminosa y cara

Innovación continua

Junto con las teorías relativamente convencionales presentadas aquí, regularmente aparecen nuevas ideas para llevar a cabo vuelos de largo alcance con eficiencia energética. Uno de ellos es la propulsión electromagnética (EM Drive): este motor no requiere combustible, no emite nada y aún así genera empuje. La idea se basa en ondas atrapadas en un sistema cerrado que se mueven entre espejos sin perder energía. A veces crean una interferencia con los fotones (partículas de luz) que provienen del exterior, lo que genera un impulso sin perder energía en el sistema.

La idea suena fantasiosa porque supuestamente viola la ley de conservación de la materia y la energía, pero el desarrollador Roger Shawyer argumenta apasionadamente que funciona sin violar las leyes de la física. Hace unos días, el Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica (AIAA) aprobó el documento de investigación sobre el tema evaluado por colegas y este debería publicarse a fines de diciembre de 2016 en su revista científica

Otra idea publicada en los últimos días provino del empresario canadiense Charles Bombardier. Dijo que, debido a que la mayor parte de la energía en el vuelo espacial se desperdicia en la aceleración y la desaceleración, es posible construir una nave espacial larga, similar a un tren, que volará constantemente entre la Tierra y Marte. Después del lanzamiento, recibirá una aceleración inicial y utilizará la fuerza de gravedad proveniente de los planetas que orbitará, alcanzando una velocidad de aproximadamente el uno por ciento de la velocidad de la luz (aproximadamente 3000 kilómetros por segundo), lo que le permitiría cubrir la distancia entre la Tierra y Marte en dos días. Luego continuará moviéndose rápidamente gracias a la energía de la órbita, recogiendo y dejando naves espaciales y carga sin cambiar su velocidad.

Desafortunadamente, aunque la idea suena tentadora, Bombardier no explica cómo se controla ese tren espacial. Tampoco está claro cómo las naves espaciales alcanzarían el tren a velocidades tan grandes como para "engancharse en un viaje". Sin respuestas a estas preguntas, el tren espacial seguirá siendo una fantasía

Obedecer las leyes de la física.

Si queremos transformar la idea de viajar al universo distante en una cuestión habitual, debemos encontrar una manera de ir más rápido que la velocidad de la luz, lo que se considera imposible. Este concepto se basa en la idea de distorsionar el espacio-tiempo; estirar el universo en un lugar y encogerlo en otro, o un "agujero de gusano", un atajo en el espacio-tiempo que nos permitiría pasar a otro lugar del universo, a un tiempo diferente o incluso a un universo diferente.

"La idea de que tales cosas son posibles es solo una especulación basada en las ecuaciones de Einstein, y no está claro en absoluto si tales manipulaciones del espacio-tiempo son realmente posibles en la práctica. Lo es aún menos si incluimos la posibilidad de planificarlos o ejecutarlos de manera controlada", dijo Loeb. "Mientras tanto, no hay sustituto para el movimiento entre dos puntos en línea recta a una velocidad que no exceda la de la luz. En principio, podemos alcanzar la velocidad de la luz solo acelerando una nave espacial a 1 g durante un año. El problema es que, utilizando la tecnología actual, dicha aceleración requiere más combustible del que existe en toda la Vía Láctea".

Incluso si quisiéramos realizar un viaje menos ambicioso y conformarnos con enviar seres humanos a nuestro sistema solar más cercano en décadas, está claro que ello requiere una gran inversión financiera. "Quiero ver que suceda algo como esto, pero no me hago ilusiones", concluye Landsman. "Tal vez sucederá si la pequeña nave espacial a vela descubre en el planeta que orbita Proxima Centauri algo que valga el esfuerzo de que lleguemos allá en persona, y que eso impulsara el proceso de una inversión tan enorme".

Así que, si alguien en el sistema Centauri o en cualquier otro lugar de la inmensidad del universo lee este artículo, queremos ir. ¡De verdad queremos! Solo necesitamos un poco de ayuda con nuestra tecnología. O al menos, un poco de asistencia financiera.