Física de lo imposible (27 page)

Mi candidato favorito para llevarnos a las estrellas es el motor estatorreactor de fusión. Hay abundancia de hidrógeno en el universo, de modo que un motor estatorreactor podría recoger hidrógeno a medida que viajara por el espacio exterior, lo que le daría una fuente esencialmente inagotable de combustible. Una vez recogido el hidrógeno sería calentado hasta millones de grados, lo bastante caliente para que el hidrógeno se fusionara y liberara la energía de una reacción termonuclear.

El motor estatorreactor de fusión fue propuesto por el físico Robert W. Bussard en 1960, y más tarde popularizado por Carl Sagan. Bussard calculaba que un motor estatorreactor que pesara unas 1.000 toneladas podría en teoría mantener un empuje constante de 1 g de fuerza, es decir, comparable a permanecer en la superficie de la Tierra. Si el motor estatorreactor pudiera mantener una aceleración 1 g durante un año, alcanzaría un 77 por ciento de la velocidad de la luz, suficiente para hacer del viaje interestelar una seria posibilidad.

Los requisitos para el motor estatorreactor de fusión son fáciles de calcular. En primer lugar, conocemos la densidad media del hidrógeno a lo largo del universo. También podemos calcular aproximadamente cuánto hidrógeno hay que quemar para alcanzar aceleraciones de 1 g. Este cálculo, a su vez, determina qué tamaño debe tener la «pala» para recoger hidrógeno. Con unas pocas hipótesis razonables, se puede demostrar que se necesitaría una pala de unos 160 kilómetros de diámetro. Aunque crear una pala de este tamaño sería prohibitivo en la Tierra, construirla en el espacio exterior plantea menos problemas debido a la ingravidez.

En principio, el motor estatorreactor podría autopropulsarse indefinidamente y alcanzar finalmente sistemas estelares lejanos en la galaxia. Puesto que el tiempo pasa con lentitud dentro del cohete, según Einstein, sería posible alcanzar distancias astronómicas sin recurrir a poner a la tripulación en animación suspendida. Después de acelerar a 1 g durante once años, según los relojes dentro de la nave estelar, la nave alcanzaría el cúmulo estelar de las Pléyades, que está a 400 años luz. En 23 años llegaría a la galaxia Andrómeda, situada a 2 millones de años luz de la Tierra. En teoría, la nave espacial podría llegar al límite del universo visible dentro del tiempo de vida de un miembro de la tripulación (aunque en la Tierra habrían pasado miles de millones de años).

Una incertidumbre clave es la reacción de fusión. El reactor de fusión ITER, cuya construcción está programada en el sur de Francia, combina dos raras formas de hidrógeno (deuterio y tritio) para extraer energía. En el espacio exterior, sin embargo, la forma más abundante del hidrógeno consiste en un solo protón rodeado por un electrón. Por lo tanto, el motor estatorreactor de fusión tendría que explotar la reacción de fusión protón-protón. Aunque el proceso de fusión deuterio/tritio ha sido estudiado durante décadas por los físicos, el proceso de fusión protón-protón se conoce peor, es más difícil de conseguir y produce menos energía. Por ello, dominar la reacción protón-protón más difícil será un reto técnico en las próximas décadas. (Además, algunos ingenieros han cuestionado que el motor estatorreactor pudiera superar efectos de arrastre cuando se aproximara a la velocidad de la luz).

Hasta que se desarrollen la física y la economía de la fusión protón-protón es difícil hacer estimaciones precisas respecto a la viabilidad del estatorreactor. Pero este diseño está en la corta lista de candidatos posibles para cualquier misión a las estrellas que se contemple.

En 1956 la Comisión de Energía Atómica (AEC) de Estados Unidos empezó a considerar seriamente los cohetes nucleares en el Proyecto Rover. En teoría, se utilizaría un reactor de fisión nuclear para calentar gases como el hidrógeno a temperaturas extremas, y luego esos gases serían expulsados por un extremo del cohete, lo que le daría un impulso.

Debido al riesgo de una explosión en la atmósfera de la Tierra que implicase combustible nuclear tóxico, las primeras versiones de los motores del cohete nuclear se colocaron horizontalmente en vías de tren, donde la actuación del cohete podía registrarse con todo cuidado. El primer motor de cohete nuclear que se probó en el Proyecto Rover, en 1959, fue el
Kiwí 1
(un nombre apropiado, pues es el de un ave australiana incapaz de volar). En los años sesenta la NASA se unió a la AEC para crear el motor nuclear para aplicaciones a vehículos a reacción (NERVA), que fue el primer cohete nuclear probado en vertical, y no en horizontal. En 1968 este cohete nuclear fue probado en una posición invertida.

Los resultados de esta investigación han sido confusos. Los cohetes eran muy complicados y con frecuencia no se encendían. Las intensas vibraciones del motor nuclear solían agrietar los depósitos de fuel y hacían que la nave se rompiera. La corrosión debida a la combustión de hidrógeno a altas temperaturas era también un problema persistente. El programa del cohete nuclear fue clausurado finalmente en 1972.

(Estos cohetes atómicos tenían aún otro problema: el riesgo de una reacción nuclear incontrolada, como una pequeña bomba atómica. Aunque las centrales nucleares comerciales utilizan hoy combustible nuclear diluido y no pueden explotar como una bomba de Hiroshima, esos cohetes atómicos operaban con uranio enriquecido para crear el máximo impulso, lo que producía una minúscula detonación nuclear. Cuando el programa del cohete nuclear estaba a punto de ser cancelado, los científicos decidieron realizar una última prueba. Decidieron explotar un cohete, como una pequeña bomba atómica. Retiraron las varillas de control —que mantenían controlada la reacción nuclear—. El reactor se hizo supercrítico y explotó en una violenta bola de fuego. Esta muerte espectacular del programa del cohete nuclear fue incluso grabada en una película. A los rusos no les gustó. Consideraron que esta exhibición era una violación del Tratado de Limitación de Pruebas Nucleares, que prohibía las detonaciones de bombas nucleares no subterráneas).

Durante años el ejército ha revisitado periódicamente el cohete nuclear. Un proyecto secreto fue bautizado como el cohete nuclear Timberwind; era parte del proyecto militar de la guerra de las galaxias en los años ochenta. (Fue abandonado cuando la Federación de Científicos Americanos filtró detalles de su existencia).

Lo que más preocupa del cohete de fisión nuclear es la seguridad. Incluso transcurridos cincuenta años de era espacial, los cohetes lanzadores químicos sufren fallos catastróficos aproximadamente el 1 por ciento de las veces. (Los dos fallos de las lanzaderas espaciales Challenger y Columbia, en las que murieron trágicamente catorce astronautas, fueron otra confirmaron de esta tasa de fracasos).

Sin embargo, en los últimos años la NASA ha retomado la investigación en el cohete nuclear por primera vez desde el programa NERVA de los años sesenta. En 2003 la NASA bautizó un nuevo proyecto, Prometheus, con el nombre del dios griego que dio el fuego a los humanos. En 2005 Prometheus fue financiado con 450 millones de dólares, aunque esta financiación fue considerablemente reducida hasta 100 millones en 2006. El futuro del proyecto es incierto.

Otra posibilidad lejana es utilizar una serie de minibombas nucleares para impulsar una nave espacial. En el Proyecto Orion, minibombas atómicas serían expulsadas secuencialmente por la parte trasera del cohete, de modo que la nave espacial «cabalgaría» sobre las ondas de choque creadas por estas minibombas de hidrógeno. Sobre el papel, este diseño podría hacer que una nave espacial alcanzara una velocidad próxima a la de la luz. Concebido originalmente en 1947 por Stanislaw Ulam, que intervino en el diseño de la primera bomba de hidrógeno, la idea fue desarrollada por Ted Taylor (uno de los jefes de diseño de cabezas nucleares para el ejército de Estados Unidos) y el físico Freeman Dyson, del Instituto de Estudios Avanzados en Princeton.

A finales de la década de 1950 y en la década de 1960 se hicieron cálculos detallados para este cohete interestelar. Se calculó que dicha nave espacial podría ir a Plutón y volver en menos de un año, con una velocidad de crucero máxima de un 10 por ciento de la velocidad de la luz. Pero incluso a dicha velocidad tardaría unos cuarenta y cuatro años en llegar a la estrella más próxima. Los científicos han especulado con que un arca espacial impulsada por un cohete semejante tendría que navegar durante siglos, con una tripulación multigeneracional cuya descendencia nacería y pasaría su vida en el arca espacial para que sus descendientes pudieran llegar a las estrellas cercanas.

En 1959 General Atomics publicó un informe que estimaba el tamaño de una nave espacial Orion. La versión más grande, llamada
Super Orion
, pesaría 8 millones de toneladas, tendría un diámetro de 400 metros y sería impulsada por más de 1.000 bombas de hidrógeno.

Pero un problema importante en el proyecto era la posibilidad de contaminación por residuos nucleares durante el lanzamiento. Dyson calculó que las fugas nucleares de cada lanzamiento podrían causar cánceres mortales en diez personas. Además, el pulso electromagnético (EMP) en dicho lanzamiento sería tan grande que podría desencadenar cortocircuitos masivos en los sistemas eléctricos de las cercanías.

La firma del Tratado de Limitación de Pruebas Nucleares en 1965 hizo sonar la campana de muerte del proyecto. Finalmente, el principal impulsor del proyecto, el diseñador de bombas nucleares Ted Taylor, abandonó. (En cierta ocasión me confió que se había desilusionado con el proyecto cuando se dio cuenta de que la física que había tras las minibombas nucleares también podría ser utilizada por terroristas para crear bombas nucleares portátiles. Aunque el proyecto fue cancelado porque se consideró que era demasiado peligroso, su tocayo sigue viviendo en la nave espacial
Orion
, que la NASA ha escogido para reemplazar la lanzadera espacial en 2010).

El concepto de un cohete nuclear fue rescatado por la Sociedad Interplaneteria Británica de 1975 a 1978 con el Proyecto Daedalus. un estudio preliminar para ver si podía construirse una nave estelar no tripulada que pudiera llegar a la estrella de Barnard, a 5,9 años luz de la Tierra. (Se escogió la estrella de Barnard porque se conjeturaba que podría tener un planeta. Desde entonces las astrónomas Jill Tarter y Margaret Turnbull han compilado una lista de 17.129 estrellas cercanas que podrían tener planetas que albergan vida. El candidato más prometedor es Épsilon Indi A, a 11,8 años luz).

La nave a reacción planeada para el Proyecto Daedalus era tan enorme que habría tenido que construirse en el espacio exterior. Pesaría 54.000 toneladas, casi todo su peso en combustible para el cohete, y podría alcanzar un 7,1 por ciento de la velocidad de la luz con una carga útil de 450 toneladas. A diferencia del Proyecto Orion, que utilizaba minúsculas bombas de fisión, el Proyecto Daedalus utilizaría minibombas de hidrógeno con una mezcla deuterio/helio-3 encendida por haces de electrones. Debido a los formidables problemas técnicos que había que afrontar, así como a las preocupaciones por su sistema de propulsión nuclear, el Proyecto Daedalus también fue aparcado indefinidamente.

Los ingenieros suelen hablar de «impulso específico», que nos permite clasificar la eficiencia de varios diseños de motor. El «impulso específico» se define como el cambio de impulso por unidad de masa de propelente. Aquí, cuanto más eficiente es el motor, menos combustible se necesita para llevar el cohete al espacio. El impulso, a su vez, es el producto de la fuerza por el tiempo durante el que actúa. Los cohetes químicos, aunque tienen un empuje muy grande, solo operan durante unos pocos minutos, y por ello tienen un impulso específico muy bajo. Los motores iónicos, que pueden operar durante años, pueden tener alto impulso específico con muy poco empuje.

El impulso específico se mide en segundos. Un cohete químico típico podría tener un impulso específico de 400-500 segundos. El impulso específico del motor de la lanzadera espacial es 453 segundos. (El mayor impulso específico conseguido por un cohete químico fue 542 segundos, utilizando una mezcla propelente de hidrógeno, litio y flúor). El impulsor del motor iónico
Smart 1
tenía un impulso específico de 1.640 segundos. Y el cohete nuclear alcanzó impulsos específicos de 850 segundos.

El máximo impulso específico posible sería el de un cohete que pudiera alcanzar la velocidad de la luz. Tendría un impulso específico de aproximadamente 30 millones. La tabla siguiente muestra los impulsos específicos de diferentes tipos de motores de cohetes.

Tipo de motor de cohete -> Impulso específico

Cohete de combustible sólido -> 250

Cohete de combustible líquido -> 450

Motor iónico -> 3000

Cohete de plasma VASIMR -> 1.000 a 30.000

Cohete de fisión nuclear -> 800 a 1.000

Cohete de fusión nuclear -> 2.500 a 200.000

Cohete pulsado nuclear -> 10.000 a 1 millón

Cohete de antimateria -> 1 millón a 10 millones

(En principio, los veleros láser y los estatorreactores, que no contienen propelente, tienen un impulso específico infinito, aunque tienen sus propios problemas).

Una seria objeción a muchos de estos diseños de cohetes es que son tan gigantescos y pesados que nunca podrían construirse en la Tierra. Por esto es por lo que algunos científicos han propuesto construirlos es el espacio exterior, donde la ingravidez haría posible que los astronautas levantaran objetos imposiblemente pesados con facilidad. Pero los críticos señalan hoy los costes prohibitivos del montaje en el espacio exterior. La Estación Espacial Internacional, por ejemplo, requerirá más de un centenar de lanzamientos de lanzadera para completar el montaje, y los costes han ascendido a 100.000 millones de dólares. Es el proyecto científico más caro de la historia. Construir un velero espacial interestelar o una pala estatorreactora en el espacio exterior costaría muchas veces esa cantidad.

Pero, como le gustaba decir al escritor de ciencia ficción Robert Heinlein, si uno puede ir a 160 kilómetros por encima de la superficie de la Tierra, ha hecho la mitad del camino a cualquier parte del sistema solar. Esto se debe a que los 160 primeros kilómetros de cualquier lanzamiento, cuando el cohete luche por escapar de la gravedad de la Tierra, son con mucho los que más cuestan. Después de eso, una nave puede saltar casi hasta Plutón y más allá.