Presenciando el final del universo desde una nave estatocolectora de Bussard

En el futuro, Suecia se ha convertido en la principal potencia política y económica del planeta. Los viajes interestelares se han hecho realidad, aunque la velocidad de la luz en el vacío no se ha superado, tal y como afirman las leyes de la relatividad de Einstein.

Una misión formada por 50 personas (25 hombres y 25 mujeres) es enviada a bordo de la nave estelar Leonora Christine para colonizar un nuevo planeta, situado a 32 años luz de la Tierra. La nave es de tipo ramjet de Bussard, sobre el que volveré más adelante.

La Leonora Christine acelera continuamente y se va acercando cada vez más a la velocidad de la luz, aunque sin alcanzarla. Tal y como predicen las transformaciones de Lorentz, el tiempo a bordo de la nave transcurre de forma mucho más lenta que en el exterior. Así, para cuando la misión alcanzara su destino, para los miembros de la tripulación únicamente habrían transcurrido 5 años, en lugar de los 32 que habrán pasado en la Tierra.

Repentinamente, algo inesperado sucede y el sistema de propulsión de la nave estelar sufre un problema serio, impidiendo el frenado de la misma. El contratiempo resulta inevitable, sin solución. No podrán detenerse al llegar al nuevo planeta, ya que la Leonora permanecerá acelerando para siempre.

Estos párrafos describen muy someramente el argumento de una novela titulada Tau cero, escrita por Poul Anderson, uno de los más célebres y conocidos autores de ciencia ficción. Precisamente, el título de la obra proviene de un factor numérico denominado “tau” que aparece en las transformaciones de Lorentz de la relatividad especial, pues a medida que la velocidad de un cuerpo se acerca a la de la luz en el vacío, dicho parámetro tiende a cero.

La terrible consecuencia de la avería que sufre la Leonora Christine no es otra que la paulatinamente mayor dilatación del tiempo en el interior de la nave con respecto al resto del universo. Así, lo que son horas o minutos para la tripulación pueden llegar a ser miles o incluso millones de años para el resto del universo. Lógicamente, Anderson arrastra al lector al único final coherente con las premisas de partida: los protagonistas presenciarán en el transcurso de sus vidas a bordo de la nave nada menos que el final del universo, un Big Crunch, seguido de un nuevo y posterior Big Bang. El final feliz está garantizado. La idea ya la había explotado el mismo Poul Anderson en su relato de 1961 “Viaje a la eternidad”, donde los protagonistas, atrapados en una máquina del tiempo que no puede retroceder al pasado, siguen viaje hacia el futuro profundo para asistir al Big Crunch, el cual, una vez pasado, trae consigo otro Big Bang que les permite, finalmente, retornar al mismo instante de su partida.

Hasta aquí, más o menos, la ficción. A partir de ahora, la realidad de la ciencia subyacente o las posibilidades reales de las ideas puestas en juego por Poul Anderson en su novela. Les decía a ustedes un poco más arriba que volvería sobre la cuestión de los ramjets de Bussard. Pues bien, ha llegado el momento.

Robert W. Bussard (1928, 2007) fue la primera persona en publicar un artículo técnico (lo que los científicos profesionales denominamos “paper”) acerca de la posibilidad real de diseñar y construir un “ramjet”, es decir, una nave estelar que no superase la velocidad de la luz pero que, al mismo tiempo pudiese llegar a su destino en el transcurso de una vida humana. En 1960, como les decía, ideó un motor de fusión nuclear que sería alimentado por protones capturados directamente del medio interestelar por el que viajase la nave. Mediante el empleo de una especie de colector en forma de embudo y constituido por una serie de campos electromagnéticos dispuesto en la proa de la nave, los protones atrapados serían conducidos al interior del reactor de fusión, donde se produciría el proceso propiamente dicho. Los productos liberados serían expulsados a grandes velocidades por las toberas dispuestas en la popa, proporcionando con ello el empuje necesario (a semejanza de lo que ocurre con los gases en un cohete convencional de combustible químico).

La ventaja que presenta el ingenio propuesto por Bussard resulta, en principio, evidente: la nave no necesita llevar a bordo el combustible, con la consiguiente economía, tanto pecuniaria como de peso (ambos factores, decisivos), al ser éste tomado del propio medio interestelar.

En su artículo original, el doctor Bussard halló que un ramjet que fuese 100 % eficiente y no presentase pérdidas de ningún tipo (ni de masa ni debido a la radiación térmica emitida) sería capaz, en principio, de alcanzar una velocidad cercana a la de la luz en tan sólo un año y manteniendo una aceleración equivalente a la que experimentamos en la superficie de nuestro planeta (unos 9,8 m/s²) para total comodidad de la tripulación. El prototipo de Bussard pesaba 1000 toneladas métricas, su embudo colector debía poseer una área efectiva de 10.000 km², y se desplazaría por el espacio interestelar cuya densidad de protones no descendiese por debajo de mil millones por metro cúbico.

Desafortunadamente, las suposiciones de Bussard resultaron, posteriormente, demasiado optimistas. Los protones (es decir, partículas con carga eléctrica) que requería su diseño no suelen encontrarse en esta forma en el espacio interestelar. Más bien, lo habitual suele ser hallar átomos de hidrógeno neutros (un protón en el núcleo y un electrón en la corteza, dicho de forma extremadamente simple) por lo que se hace imprescindible ionizarlos (despojarlos de su electrón), si es que se quiere que el embudo electromagnético sea efectivo (una alternativa válida podría consistir en hacer incidir sobre los átomos de hidrógeno un haz de luz láser ultravioleta situado en la proa de la nave). Además, tan sólo 3 años después del “paper” de Bussard, el mismo Carl Sagan señaló que la densidad media de hidrógeno interestelar podría no superar la milésima parte del que se encontraría en una nebulosa con densa formación de estrellas. Así pues, un valor mucho más realista para la cantidad de hidrógeno disponible rondaría los 100.000 átomos por metro cúbico.

Otra dificultad tenía que ver con la misma reacción de fusión. De hecho, las estrellas generan su tremenda energía gracias al empleo de este método. La fusión de cuatro protones para dar lugar a un núcleo de helio, tal y como sugería Bussard, es relativamente difícil de conseguir, siendo habitual en las estrellas como el Sol o menores (a esta reacción se la conoce como cadena protón-protón). Ni siquiera en los reactores modernos de fusión se plantea la fusión directa de protones como medio de generar la deseada fusión nuclear comercial, sino que se suele acudir a la reacción entre los dos isótopos pesados del hidrógeno (el deuterio y el tritio). En cambio, las estrellas con mayor masa que nuestro sol suelen hacer uso del denominado ciclo CNO (de carbono, nitrógeno, oxígeno), en el que inicialmente un núcleo del isótopo 12 del carbono se fusiona con un protón para dar lugar, finalmente, a un núcleo de helio, actuando el carbono como catalizador de la reacción, es decir, una especie de elemento acelerador y facilitador de la reacción y que se recupera durante una de las fases intermedias, pudiendo volver a fusionarse con un nuevo protón que esté presente en el reactor o en la estrella. Sea cual sea el método empleado, lo cierto es que la máxima energía que se obtiene nunca supera el 1 % de la de los elementos de partida. En este sentido, se ha llegado a sugerir el uso de reacciones materia-antimateria, las cuales son 100 % eficientes, siempre que se disponga de cada una de ellas en igual cantidad. Lamentablemente, la densidad de antimateria presente en el espacio interestelar es considerablemente menor que la de materia ordinaria, hecho que presenta tanto ventajas como inconvenientes: entre las primeras, que el ramjet no sufriría serios daños debidos a la interacción de la propia estructura con los positrones; entre los segundos, que en caso de iguales proporciones materia/antimateria únicamente se generarían como productos fotones de radiación gamma muy energéticos, los cuales, por carecer de carga eléctrica, resultan imposibles de dirigir mediante el empleo de campos eléctricos y/o magnéticos, saliendo despedidos en todas direcciones y, por tanto, no generando impulso alguno a la nave.

Incluso aunque la nave estatocolectora (que así suele denominarse) emplease la reacción de fusión entre el deuterio y el tritio, habría que tener en cuenta que estos dos isótopos del hidrógeno no son demasiado abundantes, especialmente el primero (uno por cada 6500-6700 de hidrógeno normal). Es más, la fusión del deuterio presenta otro inconveniente muy serio, y es que genera neutrones durante el proceso. Al igual que la radiación gamma que les comentaba hace un rato, los neutrones también carecen de carga eléctrica y salen despedidos con grandes energías que les hacen prácticamente imposible de detener o redirigir. Los neutrones podrían, así, llegar a penetrar el fuselaje de la nave y ser absorbidos por los tejidos humanos, induciendo mutaciones cancerígenas en las células. Habría que plantearse la disyuntiva entre dejar morir achicharrada a la tripulación o blindar la nave con el consiguiente incremento, quizá irrealizable, de peso.

A pesar de todas las dificultades puestas claramente de manifiesto en los párrafos anteriores, lo cierto es que la propulsión de una nave estelar estatocolectora aún sigue mereciendo estudios analíticos o simplemente académicos en años recientes. Así, Claude Semay y Bernard Silvestre-Brac analizaron en 2005 y 2008, respectivamente, las soluciones exactas de la ecuación del movimiento de un ramjet de Bussard, tanto para el caso en que éste fuese ideal como para el caso en que se tuviesen en cuenta las pérdidas de masa y por radiación térmica de la nave.

En el primer caso, las ecuaciones demuestran que el enorme ingenio espacial necesita, obviamente, de un impulso inicial antes de comenzar a ser operativo, ya que el colector no empieza a recoger materia interestelar hasta que no se encuentra en movimiento. Según las estimaciones de Semay y Silvestre-Brac sería suficiente con tan sólo una velocidad inicial de unos 10 km/s, lo que podría lograrse con cohetes químicos convencionales o mediante el empleo de una vela solar. De esta forma, el estatoreactor aceleraría, al principio, de forma lineal con la velocidad hasta llegar, más o menos, a alcanzar los 60.000 km/s. A partir de este momento, la aceleración comenzaría a disminuir.

En el segundo de los casos, cuando el ramjet deja de ser ideal y parte de la energía extraída del medio interestelar se pierde en forma de radiación térmica, la velocidad de la nave se ve reducida de forma considerable. Más aún, resulta natural asumir que una fracción del gas interestelar recolectado por el embudo electromagnético se puede perder durante el funcionamiento del motor. En esta situación, mucho más realista, la velocidad máxima se reduce enormemente, dejando de acercarse arbitrariamente a la velocidad de la luz en el vacío, como sucedía en el caso ideal. Esto significa que la dilatación del tiempo a bordo de la nave que tiene lugar a velocidades relativistas ya no puede hacerse suficientemente grande como para permitir el viaje interestelar en un lapso soportable por una vida humana. Incluso cuando los valores de las pérdidas energéticas o de masa llegan a hacerse significativamente grandes, el movimiento del estatocolector deja de ser relativista, es decir, su velocidad cae por debajo del 10 %-15 % de la velocidad de la luz en el vacío.

Tampoco son pocas las modificaciones que se han propuesto desde el ya mítico artículo de Bussard, con el fin de mejorar el diseño o hacerlo más eficiente, aun reconociendo que probablemente nunca se puedan llevar a cabo. Les comentaré brevemente tan sólo tres alternativas:

• El R.A.I.R. (Ram Augmented Interstellar Rocket)

En este diseño, propuesto inicialmente por A. Bond en 1974, los protones interestelares capturados por el colector no se utilizan como material para la fusión nuclear, sino que son acelerados en un acelerador diseñado a propósito y se utilizan para inducir reacciones de fusión con átomos de carbono y otros que se llevan a bordo, sacando así provecho del ciclo CNO que les explicaba más arriba. El resultado son dos “chorros” o “jets” de partículas (uno de protones y otro de los productos resultantes de la fusión nuclear) que generan propulsión al estatoreactor. Es preciso no olvidar que, aunque se supone que los protones interestelares capturados por el embudo no se fusionan, esto no tiene por qué ser así, ya que pueden reaccionar tanto con núcleos de litio como de boro que estuvieran presentes a bordo. Estas reacciones tienen su interés, ya que carecen de neutrones y, en consecuencia, no presentan los efectos dañinos que les expuse con anterioridad.

Un problema que presentan estas naves de tipo R.A.I.R., incluso cuando no se encuentran en régimen relativista, es decir, a velocidades por debajo del 15 % de la velocidad de la luz en el vacío, consiste en las elevadas temperaturas que se pueden llegar a alcanzar, haciendo indispensable la incorporación de un enorme subsistema radiador o disipador del calor, que podría presentar una superficie con una área de hasta 100.000 metros cuadrados para una temperatura máxima de operación de unos 2000 ºC. Asimismo, las dimensiones del estatocolector rondarían los 4000 km de diámetro, todo un desafío desde el punto de vista de la ingeniería.

• El ramjet láser (laser ramjet)

Propuesto en 1977 por D. P. Whitmire y A. J. Jackson IV, el ramjet láser consta de una estación láser alimentada por energía solar y situada próxima al Sol. El haz así producido se transmite a un receptor/convertidor a bordo de la nave, encargado de transformar la energía luminosa en eléctrica que posteriormente alimentará un acelerador lineal de partículas. Los iones capturados por el colector son acelerados en él y emitidos a altas velocidades, generando la consiguiente propulsión.

El factor crítico del diseño estriba en mantener perfectamente alineado el haz a lo largo de tan enormes distancias entre el láser y la nave espacial y a lo largo de intervalos de tiempo tan grandes. Gregory L. Matloff ha estimado que uno de estos ramjets cuyo peso ascendiese a 750 toneladas, equipado con un estatocolector de 2000 km de diámetro y un láser de 50.000 millones de vatios que se encontrase con un medio interestelar de densidad igual a 0,05 protones por centímetro cúbico lograría acelerar desde una velocidad de 900 km/s hasta otra de 2400 km/s en nada menos que 80 años. Se requerirían, así, casi 500 años para alcanzar el sistema de alfa-Centauri.

• El ramjet autopista (ramjet runway)

Propuesto igualmente, y al mismo tiempo, por los mismos autores del diseño precedente, en esta versión se pretende alcanzar un compromiso con el fin de compensar la no-fusión de los iones interestelares colectados por el embudo mediante la “preparación de una especie de autopista” que se dispondría delante de la proa de la nave y que consistiría en esparcir micro-perdigones o micro-cápsulas cargados eléctricamente, tarea que sería llevada a cabo décadas antes de la misión por otras naves más convencionales y lentas).

Estas micro-cápsulas de combustible deben estar convenientemente colimadas, esto es, no pueden estar dispersas y distribuidas a lo largo y ancho de distancias demasiado grandes, sino lo suficientemente pequeñas como para que los más modestos estatocolectores sean capaces de capturarlas eficazmente y dirigirlas hasta el interior del reactor de fusión.

Hace poco más de una década, en 1999, G. D. Nordley llegó a proponer que dichas cápsulas de combustible fusionable estuviesen basadas en nanotecnología inteligente, es decir, que por sí mismas pudiesen llevar a cabo y mantener la necesaria colimación.

El ramjet autopista es tal que, a medida que aumenta la velocidad de la nave interestelar, mayor se hace su rendimiento en comparación con las otras versiones de ramjet analizadas.

En conclusión, que seguro que lo están deseando, se puede afirmar que a pesar de que el concepto de nave estatocolectora o ramjet de Bussard resulte potencial o idealmente demasiado valioso e interesante como para ser descartado a priori, incluso con todas sus dificultades e inconvenientes, probablemente insalvables, con todo, aún puede servir como un excelente ejercicio de dinámica relativista para estudiantes de cursos avanzados o, cuando menos, como mera especulación, que tampoco viene mal en estos tiempos de pesimismo y crisis económica que vivimos.

Por concluir con un buen sabor de boca, que también se lo merecen todos ustedes, máxime después de haber soportado semejante compendio de cosas inútiles, me gustaría proponerles una cuestión en relación con la novela que me ocupaba al principio del artículo. Les cuento: ¿cómo es posible que una nave espacial que viaja por el universo y que asiste, a consecuencia de su enorme velocidad, al fin del mismo, no es destruida en el propio proceso de Big Crunch? ¿Desde qué privilegiado puesto de observación se puede contemplar el fin del universo? ¿Acaso desde otro universo?

Bibliografía complementaria:

Claude Semay and Bernard Silvestre-Brac The equation of motion of an interstellar Bussard ramjet, Eur. J. Phys. 26 (2005) 75-83.

Claude Semay and Bernard Silvestre-Brac Equation of motion of an interstellar Bussard ramjet with radiation and mass losses, Eur. J. Phys. 29 (2008) 1153-1163.

Miquel Barceló Paradojas: ciencia en la ciencia-ficción, Equipo Sirius, 2000.

Peter Nicholls La ciencia en la ciencia-ficción, Folio, 1991.

Gregory L. Matloff Deep Space Probes: To the Outer Solar System and Beyond, Springer, 2005.

Este artículo participa en la edición XXXIX del Carnaval de la Física, alojado en el blog El zombi de Schrödinger