Viajes interestelares

En un futuro próximo, podrían ser posibles nanonaves espaciales que alcancen velocidades cercanas a la de la luz, construidas con tecnología de microchips existente y un propulsor a nanoescala de reciente desarrollo. 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 disparan nanopartículas conductoras al espacio. ^{[ 22 ]}

Michio Kaku , físico teórico, ha sugerido el envío de nubes de "polvo inteligente" a las estrellas, lo cual podría ser posible gracias a los avances en nanotecnología . Kaku también señala que sería necesario enviar un gran número de nanosondas debido a la vulnerabilidad de las sondas muy pequeñas a ser fácilmente desviadas por campos magnéticos, micrometeoritos y otros peligros, para garantizar que al menos una nanosonda sobreviva al viaje y llegue a su destino. ^{[ 23 ]}

Como solución a corto plazo, se propusieron pequeñas sondas interestelares propulsadas por láser, basadas en la tecnología CubeSat actual, en el contexto del Proyecto Dragonfly . ^{[ 18 ]}

Starseed es un método similar propuesto para lanzar nanoprobes interestelares a un tercio de la velocidad de la luz. El lanzador propuesto utiliza un  cable hueco de pequeño diámetro y 1000 km de longitud, con electrodos que recubren el cable hueco, un tubo acelerador electrostático, similar a las ideas de K. Eric Drexler . ^{[ 24 ]}

Una nave generacional es un tipo de arca interestelar en la que la tripulación que llega al destino desciende de quienes iniciaron el viaje. Actualmente, las naves generacionales no son viables 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. ^{[ 28 ] [ 29 ] [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]}

Científicos y escritores han postulado diversas técnicas para la animación suspendida . Estas incluyen la hibernación humana y la criopreservación . Si bien ninguna es práctica en la actualidad, ofrecen la posibilidad de contar con barcos-dormidero en los que los pasajeros permanezcan inertes durante la larga duración del viaje. ^{[ 33 ]}

Otra posibilidad teórica es una misión interestelar robótica que transporte embriones humanos congelados en etapa temprana . 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. ^{[ 34 ]}

El espacio interestelar no está completamente vacío; contiene billones de cuerpos helados que van desde pequeños asteroides ( nube de Oort ) hasta posibles planetas errantes . Podría haber maneras de aprovechar estos recursos durante gran parte de un viaje interestelar, saltando lentamente de un cuerpo a otro o estableciendo estaciones de paso en el camino. ^{[ 35 ]}

Los físicos generalmente creen que viajar más rápido que la luz es imposible. La dilatación del tiempo relativista permite que un viajero experimente el tiempo más lentamente, cuanto más cerca esté su velocidad de la velocidad de la luz. ^{[ 37 ]} Esta aparente ralentización se hace perceptible 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 terrestres, 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 de tiempo de 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 a 32 años luz de distancia, acelerando inicialmente a una constante de 1,03 g (es decir, 10,1  m/s² ⁾ durante 1,32 años (tiempo de la nave), luego deteniendo sus motores y navegando por inercia durante los siguientes 17,3 años (tiempo de la nave) a velocidad constante, para luego desacelerar nuevamente durante 1,32 años de la nave y detenerse en el destino. Después de una breve visita, el astronauta podría regresar a la Tierra de la misma manera. Tras el viaje de ida y vuelta completo, los relojes a bordo de la nave marcan que han transcurrido 40 años, pero según los de la Tierra, la nave regresa 76 años después del lanzamiento.

Desde la perspectiva del astronauta, los relojes a bordo parecen funcionar con normalidad. La estrella que se encuentra delante parece aproximarse a una velocidad de 0,87 años luz por año de viaje. El universo parecería contraído en la dirección del viaje hasta la mitad de su tamaño 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 lentamente, 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 la nave. Pero la velocidad, según los relojes terrestres, siempre será inferior a 1 año luz por año terrestre, así que, al regresar a casa, el astronauta descubrirá que habrán transcurrido más de 60 000 años en la Tierra.

Independientemente de cómo se logre, un sistema de propulsión capaz de generar aceleración continua desde la salida hasta la llegada sería el método de viaje más rápido. 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 trayecto y luego desacelera durante la segunda mitad, de modo que llega al destino en reposo con respecto a su punto de partida. Si esto se realizara con una aceleración similar a la experimentada en la superficie terrestre, tendría la ventaja adicional de generar "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 forma constante al principio, pero luego de manera más gradual a medida que se aproxime a la velocidad de la luz (la cual no puede superar). Experimentará 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 al 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 delante parecerá caer en ese campo, experimentando un movimiento hiperbólico. Como parte de este fenómeno, las distancias entre los objetos en la dirección del movimiento de la nave se irán reduciendo gradualmente hasta que esta comience a desacelerar, momento en el que la percepción del campo gravitatorio por parte del observador a bordo se invertirá.

Cuando la nave llegue a su destino, si intercambiara un mensaje con su planeta de origen, descubriría que ha transcurrido menos tiempo a bordo que el que ha transcurrido para el observador planetario, debido a la dilatación del tiempo y la contracción de la longitud .

El resultado es un viaje rápido para la tripulación.

Las naves espaciales de cohetes de fusión , impulsadas 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 podría impulsar un vehículo arbitrariamente cerca de la velocidad de la luz. ^{[ 57 ]} Estas "quemarían" combustibles de elementos ligeros como deuterio, tritio, ^3He , ^11B y ^7Li . Dado que 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 energía de masa del combustible. Las velocidades máximas de escape potencialmente energéticamente disponibles 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 como neutrones de alta energía, que son una fuente significativa 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 en el transcurso de una vida humana (larga), todavía implican enormes dificultades tecnológicas y de ingeniería, que podrían resultar intratables durante décadas o siglos.

Entre los primeros estudios se incluyen el Proyecto Daedalus , realizado por la Sociedad Interplanetaria Británica entre 1973 y 1978, y el Proyecto Longshot , un proyecto estudiantil patrocinado por la NASA y la Academia Naval de los Estados Unidos , finalizado en 1988. Otro sistema de vehículo bastante detallado, "Discovery II" ^{[ 58 ]} , diseñado y optimizado para la exploración tripulada del Sistema Solar, basado en la reacción D3He ^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 todavía están 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 podría ser alcanzable en varias décadas, lo cual no es imposible más allá del estado actual de la técnica. Basándose en la fracción de quemado del 2,2% del concepto, podría alcanzar una velocidad de escape de productos de fusión pura de aproximadamente 3.000  km/s.

Un cohete de antimateria tendría una densidad de energía e impulso específico mucho mayores que cualquier otra clase de cohete propuesta. ^{[ 36 ]} Si se encuentran recursos energéticos y métodos de producción eficientes para producir antimateria en las cantidades requeridas y almacenarla ^{[ 59 ] [ 60 ]} de forma segura, teóricamente sería posible alcanzar velocidades de varias decenas por ciento de la de la luz. ^{[ 36 ]} Es dudoso que la propulsión de antimateria pueda conducir a velocidades más altas (>90% de la de la luz) en las que la dilatación del tiempo relativista se volvería más perceptible, haciendo que el tiempo transcurra a un ritmo más lento para los viajeros según la percepción de un observador externo, debido a la gran cantidad de antimateria que se requeriría. ^{[ 36 ] [ 61 ]}

Suponiendo que la producción y el almacenamiento de antimateria se vuelvan factibles, es necesario considerar dos cuestiones adicionales. Primero, en la aniquilación de la antimateria, gran parte de la energía se pierde como radiación gamma de alta energía , y especialmente también como neutrinos , de modo que solo alrededor del 40% de mc² estaría disponible si simplemente se permitiera que la antimateria se aniquilara térmicamente en radiaciones. ^{[ 36 ]} 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 a la nave (por ejemplo, para una aceleración de 0,1 g , se necesitan aproximadamente 0,3 billones de vatios por tonelada de masa), considerando la gran fracción de energía que se destina a la penetración de los rayos gamma. Incluso suponiendo que se proporcionara blindaje para proteger la carga útil (y a los pasajeros en un vehículo tripulado), parte de la energía inevitablemente calentaría el vehículo, lo que podría convertirse en un factor limitante para lograr aceleraciones útiles.

Más recientemente, Friedwardt Winterberg propuso que un cohete de fotones láser de rayos gamma de GeV materia-antimateria es posible mediante una descarga de pinzamiento protón-antiprotón relativista, donde el retroceso del haz láser se transmite por el efecto Mössbauer a la nave espacial. ^{[ 62 ]}

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 potencialmente reduciría considerablemente la masa de la nave y permitiría velocidades de viaje mucho mayores. Geoffrey A. Landis propuso una sonda interestelar propulsada por un propulsor iónico alimentado por la energía que le llegaba desde un láser de estación base. ^{[ 63 ]} Lenard y Andrews propusieron usar un láser de estación base para acelerar pastillas de combustible nuclear hacia una nave espacial Mini-Mag Orion que las enciende para la propulsión. ^{[ 64 ]}

En 1960, Robert W. Bussard propuso el estatorreactor Bussard , un cohete de fusión en el que una enorme pala recolectaría el hidrógeno difuso del espacio interestelar, lo "quemaría" en pleno vuelo 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 imaginable. Sin embargo, la idea resulta atractiva porque el combustible se recolectaría durante el trayecto (en consonancia con el concepto de recolección de energía ), por lo que la nave podría, en teoría, acelerar hasta casi la velocidad de la luz. La limitación se debe a que la reacción solo puede acelerar el propulsor hasta 0,12c. Por lo tanto, la resistencia de capturar el polvo interestelar y el empuje de acelerar ese mismo polvo hasta 0,12c serían iguales cuando la velocidad es de 0,12c, lo que impide una mayor aceleración.

Una vela de luz o una vela magnética impulsada por un láser masivo o un acelerador de partículas en el sistema estelar de origen podría potencialmente alcanzar velocidades aún mayores que los métodos de propulsión de cohetes o pulsos, 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 de luz de 100 kilómetros en el sistema estelar de destino sin requerir la presencia de un conjunto de láseres 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. ^{[ 66 ]} 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) impulsada con el uso de energía solar . ^{[ 67 ]} Con esta propuesta, esta nave interestelar podría, teóricamente, alcanzar el 10 por ciento de la velocidad de la luz. También se ha propuesto utilizar propulsión por haz de energía para acelerar una nave espacial y propulsión electromagnética para desacelerarla; eliminando así el problema que el estatorreactor Bussard tiene con la resistencia producida durante la aceleración. ^{[ 68 ]}

Una vela magnética también podría desacelerar en su destino sin depender del combustible transportado o de un haz impulsor en el sistema de destino, al interactuar con el plasma presente en el viento solar de la estrella de destino y el medio interestelar. ^{[ 69 ] [ 70 ]}

La siguiente tabla enumera algunos conceptos de ejemplo que utilizan propulsión láser dirigida, tal como lo propuso el físico Robert L. Forward : ^{[ 71 ]}

Para lograr tiempos de viaje interestelar de arranque y parada inferiores a la vida humana se requieren relaciones de masa de entre 1.000 y 1.000.000, incluso para las estrellas más cercanas. Esto podría lograrse mediante vehículos multietapa a gran escala. ^{[ 57 ]} Alternativamente, grandes aceleradores lineales podrían impulsar combustible a vehículos espaciales propulsados ​​por fisión, evitando las limitaciones de la ecuación del cohete . ^{[ 73 ]}

Se ha propuesto el vuelo dinámico como una forma de viajar a través del espacio interestelar . ^{[ 74 ] [ 75 ]}

Las mentes humanas o la IA cargadas podrían transmitirse con señales láser o de radio a la velocidad de la luz . ^{[ 76 ]} 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, tal vez una civilización de tipo Kardashev III ).

Una idea teórica para posibilitar los viajes interestelares consiste en 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 consiste en colocar el agujero en el punto focal de un reflector parabólico acoplado a la nave, creando así un empuje hacia adelante. Un método ligeramente más sencillo, pero menos eficiente, consistiría simplemente en absorber toda la radiación gamma que se dirige hacia la parte delantera de la nave para impulsarla hacia adelante, y dejar que el resto salga disparado por la parte trasera. ^{[ 77 ] [ 78 ] [ 79 ]}

Un propulsor de cavidad resonante de radiofrecuencia (RF) es un dispositivo que se afirma que es un propulsor para naves espaciales . En 2016, el Laboratorio de Física de Propulsión Avanzada de la NASA informó haber observado un pequeño empuje aparente en una de estas pruebas, un resultado que no se ha replicado desde entonces. ^{[ 80 ]} 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 podía funcionar solo durante unas pocas decenas de segundos antes de que el magnetrón fallara debido al sobrecalentamiento. ^{[ 81 ]} La última prueba del EMDrive concluyó que no funciona. ^{[ 82 ]}

Propuesto en 2019 por el científico de la NASA Dr. David Burns, el concepto de motor helicoidal utilizaría un acelerador de partículas para acelerarlas hasta cerca de 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, la nave espacial podría alcanzar teóricamente el 99 % de la velocidad de la luz. ^{[ 83 ]}

Científicos y autores han postulado varias formas en las que podría ser posible superar la velocidad de la luz, pero incluso las más serias son altamente especulativas. ^{[ 84 ]}

También es discutible si el viaje 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 . ^{[ 85 ]} Los mecanismos propuestos para el viaje más rápido que la luz dentro de la teoría de la relatividad general requieren la existencia de materia exótica , ^{[ 84 ]} y no se sabe si podría producirse en cantidades suficientes, si es que se puede.