Viajes interestelares: definición, tecnologías y retos futuros

El principal reto al que se enfrentan los viajes interestelares son las enormes distancias que hay que recorrer. Esto significa que se necesita una velocidad muy grande y/o un tiempo de viaje muy largo. El tiempo de viaje con los métodos de propulsión más realistas sería de décadas a milenios.

Por lo tanto, una nave interestelar estaría mucho más expuesta a los peligros del viaje interplanetario, como el vacío, la radiación, la ingravidez y los micrometeoritos. A altas velocidades, el vehículo sería penetrado por muchas partículas microscópicas de materia, a menos que estuviera fuertemente blindado. Llevar el escudo aumentaría enormemente los problemas de propulsión.

Rayos cósmicos

Los rayos cósmicos son de gran interés porque no hay protección fuera de la atmósfera y el campo magnético. Se ha observado que las energías de los rayos cósmicos de ultra-alta energía (UHECR) más energéticos se acercan a 3 × 10 ²⁰eV, unas 40 millones de veces la energía de las partículas aceleradas por el Gran Colisionador de Hadrones. Con 50 J, los rayos cósmicos de ultra alta energía tienen energías comparables a la energía cinética de una pelota de béisbol de 90 kilómetros por hora (56 mph). A raíz de estos descubrimientos, se ha despertado el interés por investigar los rayos cósmicos de energías aún mayores. Sin embargo, la mayoría de los rayos cósmicos no tienen energías tan extremas. La distribución de energía de los rayos cósmicos alcanza un máximo de 0,3 gigaelectronvoltios (4,8×10 ⁻¹¹J).

Energía necesaria

Un factor importante es la energía necesaria para un tiempo de viaje razonable. Un límite inferior para la energía necesaria es la energía cinética K = ½ mv² donde m es la masa final. Si se desea una desaceleración a la llegada y no se puede conseguir por ningún otro medio que no sean los motores de la nave, entonces la energía necesaria se duplica como mínimo, porque la energía necesaria para detener la nave es igual a la energía necesaria para acelerarla hasta la velocidad de viaje.

La velocidad para un viaje tripulado de ida y vuelta de unas pocas décadas hasta incluso la estrella más cercana es miles de veces mayor que la de los vehículos espaciales actuales. Esto significa que, debido al término v²en la fórmula de la energía cinética, se necesita millones de veces más energía. Acelerar una tonelada a una décima parte de la velocidad de la luz requiere al menos 450 PJ o 4,5 ×10 ¹⁷J o 125.000 millones de kWh, sin tener en cuenta las pérdidas.

La fuente de energía tiene que ser transportada, ya que los paneles solares no funcionan lejos del Sol y otras estrellas. La magnitud de esta energía puede hacer imposible el viaje interestelar. Un ingeniero declaró: "Para el viaje (a Alfa Centauro) se necesitaría al menos 100 veces la producción total de energía de todo el mundo [en un año determinado]".

Medio interestelar

El polvo y el gas interestelar pueden causar daños considerables a la nave, debido a las altas velocidades relativas y a las grandes energías cinéticas implicadas. Los objetos más grandes (como granos de polvo más grandes) son mucho menos comunes, pero serían mucho más destructivos. .

Tiempo de viaje

Los largos tiempos de viaje dificultan el diseño de misiones tripuladas. Los límites fundamentales del espacio-tiempo presentan otro desafío. Además, los viajes interestelares serían difíciles de justificar por razones económicas.

Se puede argumentar que una misión interestelar que no pueda completarse en 50 años no debería iniciarse en absoluto. En cambio, los recursos deberían invertirse en el diseño de 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.

Por otra parte, se puede argumentar a favor de iniciar una misión sin demora, ya que los problemas no relacionados con la propulsión pueden resultar más difíciles que la ingeniería de propulsión.

Los viajes intergalácticos implican distancias aproximadamente un millón de veces mayores que las distancias interestelares, por lo que son radicalmente más difíciles que incluso los viajes interestelares.

El cálculo de Kennedy

Andrew Kennedy ha demostrado que los viajes realizados antes del tiempo mínimo de espera serán superados por los que salgan al mínimo, mientras que los que salgan después del mínimo nunca superarán a los que salieron al mínimo.

El cálculo de Kennedy depende de r, el aumento medio anual de la producción mundial de energía. Desde cualquier punto en el tiempo hasta un destino dado, hay un mínimo en el tiempo total hasta el destino. Los viajeros probablemente llegarían sin ser adelantados por otros viajeros posteriores esperando un tiempo t antes de partir. La relación entre el tiempo que se tarda en llegar a un destino (ahora, T _now, o después de esperar, T _t, y el crecimiento de la velocidad de desplazamiento es

T n o w T t = ( 1 + r ) t 2 {\displaystyle {\frac {T_{now}}{T_{t}}=(1+r)}^{\tfrac {t}{2}}

Tomando como ejemplo un viaje a la estrella de Barnard, situada a seis años luz, Kennedy muestra que con una tasa de crecimiento económico anual media mundial del 1,4% y un crecimiento correspondiente de la velocidad de desplazamiento, lo más rápido que la civilización humana podría llegar a la estrella es en 1.110 años a partir del año 2007.

Distancias interestelares

Las distancias astronómicas suelen medirse en el tiempo que tardaría un rayo de luz en viajar entre dos puntos (véase año-luz). La luz en el vacío viaja aproximadamente 300.000 kilómetros por segundo o 186.000 millas por segundo.

La distancia entre la Tierra y la Luna es de 1,3 segundos luz. Con las tecnologías actuales de propulsión de naves espaciales, una nave puede cubrir la distancia de la Tierra a la Luna en unas ocho horas (New Horizons). Esto significa que la luz viaja aproximadamente treinta mil veces más rápido que las tecnologías actuales de propulsión de las naves espaciales. La distancia de la Tierra a otros planetas del Sistema Solar oscila entre tres minutos-luz y unas cuatro horas-luz. Dependiendo del planeta y de su alineación con la Tierra, para una típica nave espacial no tripulada estos viajes durarán desde unos pocos meses hasta algo más de una década. La distancia a otras estrellas es mucho mayor. Si la distancia de la Tierra al Sol se reduce a un metro, la distancia a Alfa Centauri A sería de 271 kilómetros o unas 169 millas.

La estrella conocida más cercana al Sol es Próxima Centauri, que está a 4,23 años-luz. La nave espacial más rápida enviada hasta ahora, la Voyager 1, ha recorrido 1/600 de año luz en 30 años y se mueve actualmente a 1/18.000 de la velocidad de la luz. A este ritmo, un viaje a Próxima Centauri llevaría 72.000 años. Por supuesto, esta misión no estaba pensada específicamente para viajar rápido a las estrellas, y la tecnología actual podría hacerlo mucho mejor. El tiempo de viaje podría reducirse a unos pocos milenios utilizando velas solares, o a un siglo o menos utilizando propulsión nuclear de pulso.

La relatividad especial ofrece la posibilidad de acortar el tiempo de viaje: si una nave estelar con motores suficientemente avanzados pudiera alcanzar velocidades cercanas a la de la luz, la dilatación relativista del tiempo haría el viaje mucho más corto para el viajero. Sin embargo, el tiempo transcurrido seguiría siendo de muchos años para los habitantes de la Tierra. Al regresar a la Tierra, los viajeros descubrirían que ha transcurrido mucho más tiempo en la Tierra que para ellos (paradoja de los gemelos).

Muchos problemas se resolverían si existieran los agujeros de gusano. La relatividad general no los descarta, pero por lo que sabemos actualmente, no existen.

Comunicaciones

El tiempo de retardo de ida y vuelta es el tiempo mínimo que transcurre entre que la señal de una sonda llega a la Tierra, y la sonda recibe instrucciones de la Tierra. Dado que la información no puede viajar más rápido que la velocidad de la luz, esto es para la Voyager 1 unas 32 horas, cerca de Próxima Centauri serían 8 años. Reacciones más rápidas tendrían que ser programadas para ser llevadas a cabo automáticamente. Por supuesto, en el caso de un vuelo tripulado la tripulación puede responder inmediatamente a sus observaciones. Sin embargo, el tiempo de retardo de ida y vuelta los hace no sólo extremadamente distantes sino, en términos de comunicación, extremadamente aislados de la Tierra. Otro factor es la energía necesaria para que las comunicaciones interestelares lleguen de forma fiable. Obviamente, los gases y las partículas degradarían las señales (extinción interestelar), y habría límites a la energía disponible para enviar la señal.

Misiones tripuladas

La masa de cualquier nave capaz de transportar seres humanos sería inevitablemente mucho mayor que la necesaria para una sonda interestelar no tripulada. Los tiempos de viaje, mucho más largos, requerirían un sistema de soporte vital. Es poco probable que las primeras misiones interestelares lleven formas de vida.

Se conocen 59 sistemas estelares a menos de 20 años luz del Sol, que contienen 81 estrellas visibles. Los siguientes podrían considerarse objetivos principales para las misiones interestelares: Los peligros de la radiación descartarían a cualquier ser orgánico para una expedición a Sirio. En cualquier caso, es difícil visualizar cualquier expedición tripulada, dados los probables tiempos de viaje.

Quizá el momento más probable para un viaje interestelar sea cuando una estrella atraviese nuestra nube de Oort. Deberíamos tener un buen aviso de 10.000 años para ello, así que podríamos planificar el evento con cierto detalle. Ver la estrella de Scholz para la última vez que pasó una.

La tecnología astronómica existente y a corto plazo es capaz de encontrar sistemas planetarios alrededor de estos objetos, aumentando su potencial de exploración.