Viaje interestelar

Un ramjet de Bussard, uno de los muchos métodos posibles que podrían servir para impulsar la nave espacial.

Viaje interestelar es el viaje hipotético de una nave espacial desde un sistema estelar, una estrella solitaria o un sistema planetario a otro. Se espera que el viaje interestelar resulte mucho más difícil que el vuelo espacial interplanetario debido a la gran diferencia en la escala de las distancias involucradas. Mientras que la distancia entre dos planetas en el Sistema Solar es inferior a 30 unidades astronómicas (AU), las estrellas suelen estar separadas por cientos de miles de AU, lo que hace que estas distancias se expresen normalmente en años luz. Debido a la inmensidad de estas distancias, el viaje interestelar no generacional basado en la física conocida tendría que ocurrir a un alto porcentaje de la velocidad de la luz; aun así, los tiempos de viaje serían largos, al menos décadas y quizás milenios o más.

Hasta 2022, cinco naves espaciales sin tripulación, todas lanzadas y operadas por Estados Unidos, han alcanzado la velocidad de escape requerida para abandonar el Sistema Solar como parte de misiones para explorar partes del sistema exterior. Por lo tanto, continuarán viajando a través del espacio interestelar indefinidamente. Sin embargo, no se acercarán a otra estrella durante cientos de miles de años, mucho después de que hayan dejado de funcionar (aunque, en teoría, el disco de oro de la Voyager podría reproducirse en el caso muy poco probable de que una civilización extraterrestre recupere la nave espacial).

Las velocidades requeridas para el viaje interestelar en una vida humana superan con creces lo que pueden proporcionar los métodos actuales de viaje espacial. Incluso con un sistema de propulsión hipotéticamente perfectamente eficiente, la energía cinética correspondiente a esas velocidades es enorme según los estándares actuales de desarrollo de energía. Además, las colisiones de naves espaciales con polvo y gas cósmicos a tales velocidades serían muy peligrosas tanto para los pasajeros como para la propia nave espacial.

Se han propuesto varias estrategias para hacer frente a estos problemas, que van desde arcas gigantes que transportarían sociedades y ecosistemas enteros hasta sondas espaciales microscópicas. Se han propuesto muchos sistemas diferentes de propulsión de naves espaciales para dar a las naves espaciales las velocidades requeridas, incluida la propulsión nuclear, la propulsión impulsada por haz y los métodos basados en la física especulativa.

La humanidad necesitaría superar considerables desafíos tecnológicos y económicos para lograr viajes interestelares con y sin tripulación. Incluso las opiniones más optimistas pronostican que pasarán décadas antes de que se alcance este hito. Sin embargo, a pesar de los desafíos, se espera una amplia gama de beneficios científicos si los viajes interestelares se hacen realidad.

La mayoría de los conceptos de viaje interestelar requieren un sistema de logística espacial desarrollado capaz de mover millones de toneladas a un lugar de construcción/operación, y la mayoría requeriría energía a escala de gigavatios para la construcción o la energía (como los conceptos de tipo Star Wisp o Light Sail).). Tal sistema podría crecer orgánicamente si la energía solar basada en el espacio se convirtiera en un componente importante de la combinación energética de la Tierra. La demanda de los consumidores de un sistema de varios teravatios crearía el sistema logístico necesario de varios millones de toneladas/año.

Desafíos

Distancias interestelares

Las distancias entre los planetas del Sistema Solar a menudo se miden en unidades astronómicas (AU), definidas como la distancia promedio entre el Sol y la Tierra, aproximadamente 1,5×10⁸ kilómetros (93 millones de millas). Venus, el planeta más cercano a la Tierra está (en el acercamiento más cercano) a 0,28 UA de distancia. Neptuno, el planeta más alejado del Sol, está a 29,8 UA de distancia. A partir del 20 de septiembre de 2022, la Voyager 1, el objeto fabricado por el hombre más alejado de la Tierra, se encuentra a 157 UA de distancia.

La estrella conocida más cercana, Próxima Centauri, se encuentra aproximadamente a 268 332 AU de distancia, o más de 9000 veces más lejos que Neptuno.

Debido a esto, las distancias entre estrellas generalmente se expresan en años luz (definidos como la distancia que recorre la luz en el vacío en un año juliano) o en parsecs (un parsec es 3,26 ly, la distancia a la que la paralaje estelar es exactamente un segundo de arco, de ahí el nombre). La luz en el vacío viaja alrededor de 300 000 kilómetros (186 000 mi) por segundo, por lo que 1 año luz es aproximadamente 9,461×10¹² kilómetros (5,879 billones de millas) o 63,241 AU. Por lo tanto, Proxima Centauri está aproximadamente a 4.243 años luz de la Tierra.

Otra forma de comprender la inmensidad de las distancias interestelares es escalando: una de las estrellas más cercanas al Sol, Alpha Centauri A (una estrella similar al Sol que es una de las dos compañeras de Próxima Centauri), se puede representar escalando reducir la distancia Tierra-Sol a un metro (3,28 pies). En esta escala, la distancia a Alpha Centauri A sería de 276 kilómetros (171 millas).

La nave espacial más rápida que se ha enviado hasta ahora, la Voyager 1, ha cubierto 1/600 de un año luz en 30 años y actualmente se mueve a 1/18 000 de la velocidad de la luz. A este ritmo, un viaje a Próxima Centauri tardaría 80.000 años.

Energía requerida

Un factor importante que contribuye a la dificultad es la energía que debe suministrarse para obtener un tiempo razonable de viaje. Un límite inferior para la energía requerida es la energía cinética ${displaystyle K={tfrac {2}mv^{2}$ Donde ${displaystyle m}$ es la masa final. Si la desaceleración a la llegada es deseada y no se puede lograr por ningún otro medio que los motores de la nave, entonces el límite inferior para la energía requerida se duplica a ${displaystyle mv^{2}$.

La velocidad para un viaje redondo tripulado de unas pocas décadas hasta la estrella más cercana es varias mil veces mayor que las de los vehículos espaciales actuales. Esto significa que debido a la ${displaystyle v^{2}$ término en la fórmula de energía cinética, millones de veces se requiere tanta energía. Acelerar una tonelada a una décima parte de la velocidad de la luz requiere al menos 450 petajoules o 4.50×10¹⁷ joules o 125 terawatt-hours (consumo energético mundial 2008 fue 143,851 terawatt-hours), sin tener en cuenta la eficiencia del mecanismo de propulsión. Esta energía tiene que ser generada a bordo del combustible almacenado, cosechada del medio interestelar, o proyectada sobre inmensas distancias.

Medio interestelar

El conocimiento de las propiedades del gas y el polvo interestelar por los que debe pasar el vehículo es fundamental para el diseño de cualquier misión espacial interestelar. Un problema importante al viajar a velocidades extremadamente altas es que, debido a las altas velocidades relativas requeridas y las grandes energías cinéticas, las colisiones con el polvo interestelar podrían causar daños considerables a la nave. Se han propuesto varios métodos de blindaje para mitigar este problema. Los objetos más grandes (como los granos de polvo macroscópicos) son mucho menos comunes, pero serían mucho más destructivos. Los riesgos de impactar tales objetos y los métodos de mitigación se han discutido en la literatura, pero quedan muchas incógnitas. Una consideración adicional es que debido a la distribución no homogénea de la materia interestelar alrededor del Sol, estos riesgos variarían entre diferentes trayectorias. Aunque un medio interestelar de alta densidad puede causar dificultades para muchos conceptos de viaje interestelar, los estatorreactores interestelares y algunos conceptos propuestos para desacelerar naves espaciales interestelares, en realidad se beneficiarían de un medio interestelar más denso.

Peligros

La tripulación de una nave interestelar enfrentaría varios peligros significativos, incluidos los efectos psicológicos del aislamiento a largo plazo, los efectos fisiológicos de la aceleración extrema, los efectos de la exposición a la radiación ionizante y los efectos fisiológicos de la ingravidez en los músculos, articulaciones, huesos, sistema inmunitario y ojos. También existe el riesgo de impacto de micrometeoroides y otros desechos espaciales. Estos riesgos representan desafíos que aún deben superarse.

Esperar cálculo

El físico Robert L. Forward ha argumentado que una misión interestelar que no puede completarse en 50 años no debería iniciarse en absoluto. En cambio, suponiendo que una civilización todavía se encuentra en una curva creciente de velocidad del sistema de propulsión y aún no ha alcanzado el límite, los recursos deben invertirse en diseñar un mejor sistema de propulsión. Esto se debe a que una nave espacial lenta probablemente pasaría por otra misión enviada más tarde con una propulsión más avanzada (el postulado de la obsolescencia incesante).

Por otro lado, Andrew Kennedy ha demostrado que si se calcula el tiempo de viaje a un destino determinado a medida que aumenta la tasa de velocidad de viaje derivada del crecimiento (incluso el crecimiento exponencial), existe un claro mínimo en el tiempo total hasta ese destino a partir de ahora. Los viajes realizados antes del mínimo serán adelantados por los que partan en el mínimo, mientras que los viajes que salgan después del mínimo nunca adelantarán a los que partieron en el mínimo.

Principales objetivos para viajes interestelares

Hay 59 sistemas estelares conocidos dentro de los 40 años luz del Sol, que contienen 81 estrellas visibles. Los siguientes podrían considerarse objetivos principales para las misiones interestelares:

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

Métodos propuestos

Sondas lentas y sin tripulación

"Lento" Las misiones interestelares (todavía rápidas según otros estándares) basadas en tecnologías de propulsión actuales y futuras están asociadas con tiempos de viaje que van desde varias décadas hasta miles de años. Estas misiones consisten en enviar una sonda robótica a una estrella cercana para su exploración, similar a las sondas interplanetarias como las que se utilizan en el programa Voyager. Al no llevar tripulación, el costo y la complejidad de la misión se reducen significativamente, al igual que la masa que debe acelerarse, aunque la vida útil de la tecnología sigue siendo un problema importante junto con la obtención de una velocidad de viaje razonable. Los conceptos propuestos incluyen Project Daedalus, Project Icarus, Project Dragonfly, Project Longshot y, más recientemente, Breakthrough Starshot.

Sondas rápidas y sin tripulación

Nanosondas

En un futuro cercano, podría ser posible construir una nanonave espacial a la velocidad de la luz basada en la tecnología de microchip existente con un propulsor a nanoescala recientemente desarrollado. Investigadores de la Universidad de Michigan están desarrollando propulsores que utilizan nanopartículas como propulsor. Su tecnología se llama "propulsor de extracción de campo de nanopartículas", o nanoFET. Estos dispositivos actúan como pequeños aceleradores de partículas que lanzan nanopartículas conductoras al espacio.

Michio Kaku, físico teórico, ha sugerido que las nubes de "polvo inteligente" ser enviado a las estrellas, lo que puede ser posible con los avances en nanotecnología. Kaku también señala que sería necesario enviar una gran cantidad de nanosondas debido a la vulnerabilidad de las sondas muy pequeñas para ser fácilmente desviadas por campos magnéticos, micrometeoritos y otros peligros para garantizar las posibilidades de que al menos una nanosonda sobreviva al viaje y llegue al destino.

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.

Misiones lentas y tripuladas

En las misiones tripuladas, la duración de un viaje interestelar lento presenta un gran obstáculo y los conceptos existentes abordan este problema de diferentes maneras. Se pueden distinguir por el "estado" en el que los humanos son transportados a bordo de la nave espacial.

Naves de generación

Una nave generacional (o nave mundial) es una especie de arca interestelar en la que la tripulación que llega al destino desciende de quienes iniciaron el viaje. Los barcos de generación no son viables actualmente debido a la dificultad de construir un barco de la enorme escala requerida y los grandes problemas biológicos y sociológicos que plantea la vida a bordo de dicho barco.

Animación suspendida

Científicos y escritores han postulado varias técnicas para la animación suspendida. Estos incluyen la hibernación humana y la preservación criónica. Aunque ninguno de los dos es práctico actualmente, ofrecen la posibilidad de barcos durmientes en los que los pasajeros permanecen inertes durante la larga duración del viaje.

Embriones congelados

Una misión interestelar robótica que transporte una cierta cantidad de embriones humanos congelados en etapa temprana es otra posibilidad teórica. Este método de colonización espacial requiere, entre otras cosas, del 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.

Salto de isla en isla a través del espacio interestelar

El espacio interestelar no está completamente vacío; contiene billones de cuerpos helados que van desde pequeños asteroides (nube de Oort) hasta posibles planetas rebeldes. Puede haber formas de aprovechar estos recursos durante una buena parte de un viaje interestelar, saltando lentamente de un cuerpo a otro o estableciendo estaciones de paso en el camino.

Misiones rápidas y tripuladas

Si una nave espacial pudiera promediar el 10 % de la velocidad de la luz (y desacelerar en el destino, para misiones tripuladas por humanos), esto sería suficiente para llegar a Próxima Centauri en cuarenta años. Se han propuesto varios conceptos de propulsión que eventualmente podrían desarrollarse para lograr esto (consulte § Propulsión a continuación), pero ninguno de ellos está listo para desarrollos a corto plazo (unas pocas décadas) a un costo aceptable.

Dilatación del tiempo

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. Esta aparente desaceleración se vuelve perceptible cuando se alcanzan velocidades superiores al 80% de la velocidad de la luz. Los relojes a bordo de una nave interestelar funcionarían más lentamente que los relojes de la Tierra, 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 parte de la galaxia y regresar. a la Tierra dentro de los 40 años de tiempo de navegación (ver diagrama). Al regreso, 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 velocidad 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 del barco) a una velocidad constante, luego desaceleró nuevamente durante 1,32 años-barco y se detuvo en el destino. Después de una breve visita, el astronauta podría regresar a la Tierra de la misma manera. Después del viaje de ida y vuelta completo, los relojes a bordo de la nave muestran que han pasado 40 años, pero según los de la Tierra, la nave regresa 76 años después del lanzamiento.

Desde el punto de vista del astronauta, los relojes a bordo parecen funcionar con normalidad. La estrella que tenemos delante parece acercarse a una velocidad de 0,87 años luz por año-nave. El universo parecería contraído a lo largo de la dirección del viaje a la mitad del tamaño que tenía cuando la nave estaba en reposo; la distancia entre esa estrella y el Sol parecería ser de 16 años luz medidos por el astronauta.

A velocidades más altas, el tiempo a bordo será incluso más lento, 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 desde la nave. Pero la velocidad según los relojes terrestres siempre será inferior a 1 año luz por año terrestre, por lo que, cuando regrese a casa, el astronauta se encontrará con que habrán pasado más de 60 mil años en la Tierra.

Aceleración constante

Esta parcela muestra un barco capaz de 1-g (10 m/s² o alrededor de 1.0 ly/y²) "sentimiento" o la aceleración adecuada puede ir lejos, excepto por el problema de acelerar el propulsor a bordo.

Independientemente de cómo se logre, un sistema de propulsión que pudiera producir una aceleración continua desde la salida hasta la llegada sería el método de viaje más rápido. Un viaje de aceleración constante es aquel en el que el sistema de propulsión acelera la nave a un ritmo constante durante la primera mitad del viaje y luego desacelera durante la segunda mitad, de modo que llega a destino estacionario en relación con el lugar donde comenzó. Si esto se realizara con una aceleración similar a la experimentada en la superficie de la Tierra, tendría la ventaja añadida de producir 'gravedad' artificial. para la tripulación. Sin embargo, suministrar la energía requerida sería prohibitivamente costoso con la tecnología actual.

Desde la perspectiva de un observador planetario, la nave parecerá acelerar constantemente al principio, pero luego más gradualmente a medida que se acerca a la velocidad de la luz (que no puede superar). experimentará un movimiento hiperbólico. 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 para el final del viaje.

Desde la perspectiva de un observador a bordo, la tripulación sentirá un campo gravitacional opuesto a la aceleración del motor, y el universo adelante parecerá caer en ese campo, experimentando un movimiento hiperbólico. Como parte de esto, las distancias entre los objetos en la dirección del movimiento del barco se contraerán gradualmente hasta que el barco comience a desacelerar, momento en el que se invertirá la experiencia del campo gravitatorio del observador a bordo.

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

El resultado es un viaje increíblemente rápido para la tripulación.

Propulsión

Conceptos de cohetes

Todos los conceptos de cohetes están limitados por la ecuación del cohete, que establece la velocidad característica disponible en función de la velocidad de escape y la relación de masa, la relación de inicial (M₀, incluido el combustible) hasta la masa final (M₁, combustible agotado).

Se requiere una potencia específica muy alta, la relación entre el empuje y la masa total del vehículo, para alcanzar los objetivos interestelares en plazos de menos de un siglo. Cierta transferencia de calor es inevitable y se debe manejar adecuadamente una tremenda carga de calor.

Por lo tanto, para los conceptos de cohetes interestelares de todas las tecnologías, un problema de ingeniería clave (rara vez discutido explícitamente) es limitar la transferencia de calor desde la corriente de escape hacia el vehículo.

Motor de iones

Un tipo de propulsión eléctrica, las naves espaciales como Dawn utilizan un motor de iones. En un motor de iones, la energía eléctrica se usa para crear partículas cargadas del propulsor, generalmente el gas xenón, y acelerarlas a velocidades extremadamente altas. La velocidad de escape de los cohetes convencionales está limitada a unos 5 km/s por la energía química almacenada en los enlaces moleculares del combustible. Producen un gran empuje (alrededor de 10⁶ N), pero tienen un impulso específico bajo, y eso limita su velocidad máxima. Por el contrario, los motores de iones tienen poca fuerza, pero la velocidad máxima en principio está limitada solo por la energía eléctrica disponible en la nave espacial y en los iones de gas que se aceleran. La velocidad de escape de las partículas cargadas oscila entre 15 km/s y 35 km/s.

Propulsado por fisión nuclear

Fisión-eléctrica

Los motores de plasma o de energía nuclear, que funcionan durante períodos prolongados con un empuje bajo y están alimentados por reactores de fisión, tienen el potencial de alcanzar velocidades mucho mayores que los vehículos de propulsión química o los cohetes termonucleares. Dichos vehículos probablemente tengan el potencial de impulsar la exploración del sistema solar con tiempos de viaje razonables dentro del siglo actual. Debido a su propulsión de bajo empuje, estarían limitados a operaciones en el espacio profundo fuera del planeta. La propulsión eléctrica de una nave espacial impulsada por una fuente de energía portátil, digamos un reactor nuclear, produciendo solo pequeñas aceleraciones, tardaría siglos en alcanzar, por ejemplo, el 15% de la velocidad de la luz, por lo que no es adecuada para el vuelo interestelar durante una sola vida humana.

Fragmento de fisión

Los cohetes de fragmentos de fisión utilizan la fisión nuclear para crear chorros de alta velocidad de fragmentos de fisión, que se expulsan a velocidades de hasta 12 000 km/s (7500 mi/s). Con la fisión, la producción de energía es aproximadamente el 0,1 % de la masa-energía total del combustible del reactor y limita la velocidad de escape efectiva a alrededor del 5 % de la velocidad de la luz. Para obtener la máxima velocidad, la masa de reacción debe consistir de manera óptima en productos de fisión, la "ceniza" de la fuente de energía primaria, por lo que no es necesario contabilizar masa de reacción adicional en la relación de masa.

Pulso nuclear

Moderno Concepto de Propulsión Pulsada.

Según el trabajo de finales de la década de 1950 y principios de la de 1960, ha sido técnicamente posible construir naves espaciales con motores de propulsión de pulso nuclear, es decir, impulsadas por una serie de explosiones nucleares. Este sistema de propulsión contiene la perspectiva de un impulso específico muy alto (el equivalente a la economía de combustible en los viajes espaciales) y una potencia específica alta.

El miembro del equipo del Proyecto Orión, Freeman Dyson, propuso en 1968 una nave espacial interestelar que usaba propulsión de pulsos nucleares que usaba detonaciones de fusión de deuterio puro con una fracción de consumo de combustible muy alta. Calculó una velocidad de escape de 15 000 km/s y un vehículo espacial de 100 000 toneladas capaz de alcanzar un delta-v de 20 000 km/s, lo que permitió un tiempo de vuelo a Alpha Centauri de 130 años. Estudios posteriores indican que la velocidad de crucero máxima que teóricamente puede alcanzar una nave estelar Orión impulsada por una unidad termonuclear Teller-Ulam, suponiendo que no se ahorre combustible para reducir la velocidad, es aproximadamente del 8% al 10% de la velocidad de la luz (0.08-0.1 C). Un Orión atómico (fisión) puede alcanzar quizás el 3% -5% de la velocidad de la luz. Una nave estelar impulsada por impulsos nucleares impulsada por unidades de propulsión de impulsos nucleares catalizadas por antimateria de fusión estaría igualmente en el rango del 10% y los cohetes de aniquilación de materia-antimateria pura serían teóricamente capaces de obtener una velocidad entre el 50% y el 80% de la velocidad de la luz. En cada caso, el ahorro de combustible para reducir la velocidad reduce a la mitad la velocidad máxima. El concepto de usar una vela magnética para desacelerar la nave espacial a medida que se acerca a su destino se ha discutido como una alternativa al uso de propulsor, esto permitiría que la nave viaje cerca de la velocidad teórica máxima. Los diseños alternativos que utilizan principios similares incluyen Project Longshot, Project Daedalus y Mini-Mag Orion. El principio de la propulsión de pulsos nucleares externos para maximizar la potencia de supervivencia sigue siendo común entre los conceptos serios para vuelos interestelares sin transmisión de energía externa y para vuelos interplanetarios de muy alto rendimiento.

En la década de 1970, el proyecto Daedalus perfeccionó aún más el concepto de propulsión de pulso nuclear mediante el uso de fusión de confinamiento inercial desencadenada externamente, en este caso produciendo explosiones de fusión mediante la compresión de gránulos de combustible de fusión con haces de electrones de alta potencia. Desde entonces, se ha sugerido que los láseres, los haces de iones, los haces de partículas neutras y los proyectiles hipercinéticos producen pulsos nucleares con fines de propulsión.

Un impedimento actual para el desarrollo de cualquier nave espacial propulsada por explosión nuclear es el Tratado de Prohibición Parcial de Pruebas de 1963, que incluye la prohibición de la detonación de cualquier dispositivo nuclear (incluso no basado en armas) en el espacio exterior. Este tratado, por lo tanto, tendría que ser renegociado, aunque un proyecto a la escala de una misión interestelar utilizando la tecnología actualmente previsible probablemente requeriría una cooperación internacional al menos a la escala de la Estación Espacial Internacional.

Otra cuestión a tener en cuenta serían las fuerzas g impartidas a una nave espacial rápidamente acelerada, la carga y los pasajeros en su interior (ver Negación de la inercia).

Cohetes de fusión nuclear

Las naves estelares de cohetes de fusión, impulsadas por reacciones de fusión nuclear, deberían ser capaces de alcanzar velocidades del orden del 10 % de la de la luz, basándose únicamente en consideraciones energéticas. En teoría, un gran número de etapas podría empujar un vehículo arbitrariamente cerca de la velocidad de la luz. Estos "quemarían" combustibles de elementos ligeros como el deuterio, el 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 masa-energía del combustible. Las velocidades de escape máximas potencialmente disponibles energéticamente son correspondientemente más altas que para la fisión, típicamente del 4 al 10% de la velocidad de la luz. Sin embargo, las reacciones de fusión más fáciles de lograr liberan una gran fracción de su energía en forma de 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 más corto plazo) para viajar a las estrellas más cercanas dentro de una (larga) vida humana, aún implican enormes dificultades tecnológicas y de ingeniería, que pueden resultar intratables durante décadas o siglos..

La sonda interestelar Daedalus.

Los primeros estudios 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 EE. UU., completado en 1988. Otro sistema de vehículos bastante detallado, " Discovery II", 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 de Glenn Research de la NASA Centro. Alcanza velocidades características de >300 km/s con una aceleración de ~1,7•10⁻³ g, con una masa inicial del barco de ~1700 toneladas métricas y una carga útil fracción superior al 10%. Aunque todavía están muy por debajo de los requisitos para los viajes interestelares en escalas de tiempo humanas, el estudio parece representar un punto de referencia razonable hacia lo que puede ser abordable dentro de varias décadas, lo que no es imposible más allá del estado actual de la técnica. Según la fracción de quemado del 2,2 % del concepto, podría alcanzar una velocidad de escape del producto de fusión pura de ~3000 km/s.

Cohetes de antimateria

Un cohete de antimateria tendría una densidad de energía y un impulso específico mucho más altos que cualquier otra clase de cohete propuesta. Si se encuentran recursos energéticos y métodos de producción eficientes para fabricar antimateria en las cantidades necesarias y almacenarla de forma segura, sería teóricamente posible alcanzar velocidades de varias decenas porcentuales de la de la luz. Es dudoso que la propulsión de antimateria pueda conducir a velocidades más altas (>90% de la de la luz) a las que la dilatación relativista del tiempo se vuelva más notoria, haciendo que el tiempo pase a un ritmo más lento para los viajeros según lo percibe un observador externo. la gran cantidad de antimateria que sería necesaria.

Al especular que la producción y el almacenamiento de antimateria deberían ser factibles, es necesario considerar dos cuestiones más. En primer lugar, en la aniquilación de la antimateria, gran parte de la energía se pierde en forma de radiación gamma de alta energía y, especialmente, también en forma de neutrinos, de modo que solo alrededor del 40 % de mc² estaría realmente disponible si simplemente se permitiera que la antimateria se aniquilara en forma de radiaciones térmicamente. Aun así, la energía disponible para la propulsión sería sustancialmente mayor que el ~1 % de rendimiento de mc² de la fusión nuclear, el siguiente mejor candidato rival.

En segundo lugar, parece probable que la transferencia de calor del escape al vehículo transfiera una enorme cantidad de energía desperdiciada al barco (por ejemplo, para una aceleración del barco de 0,1g, acercándose a 0,3 billones de vatios por tonelada de masa del barco), teniendo en cuenta la gran fracción de la energía que entra en los rayos gamma penetrantes. Incluso suponiendo que se proporcionara un blindaje para proteger la carga útil (y los pasajeros de un vehículo con tripulación), parte de la energía calentaría inevitablemente el vehículo y, por lo tanto, podría resultar un factor limitante si se han de lograr aceleraciones útiles.

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

Cohetes con fuente de energía externa

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 podría reducir enormemente la masa de la nave y permitir velocidades de viaje mucho más altas. Geoffrey A. Landis propuso una sonda interestelar impulsada por un propulsor de iones impulsado por la energía que le transmite un láser de estación base. Lenard y Andrews propusieron usar un láser de estación base para acelerar las pastillas de combustible nuclear hacia una nave espacial Mini-Mag Orion que las enciende para su propulsión.

Conceptos que no son cohetes

Un problema con todos los métodos tradicionales de propulsión de cohetes es que la nave espacial necesitaría llevar consigo su combustible, lo que la haría muy masiva, de acuerdo con la ecuación del cohete. Varios conceptos intentan escapar de este problema:

Propulsor de cavidad resonante de RF

Un propulsor de cavidad resonante de radiofrecuencia (RF) es un dispositivo que se afirma que es un propulsor de nave espacial. En 2016, el Laboratorio de Física de Propulsión Avanzada de la NASA informó haber observado un pequeño empuje aparente de una de esas pruebas, un resultado que no se ha replicado desde entonces. 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 alimentado por un magnetrón de cavidad de 850 W. El dispositivo pudo funcionar durante solo unas pocas docenas de segundos antes de que el magnetrón fallara debido al sobrecalentamiento. La última prueba en el EMDrive concluyó que no funciona.

Motor helicoidal

Propuesto en 2019 por el científico de la NASA, el Dr. David Burns, el concepto de motor helicoidal usaría un acelerador de partículas para acelerar las partículas hasta casi 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 teóricamente podría alcanzar el 99% de la velocidad de la luz.

Estatorreactores interestelares

En 1960, Robert W. Bussard propuso el estatorreactor Bussard, un cohete de fusión en el que una gran bola recolectaría el hidrógeno difuso en el espacio interestelar, 'quemaría'. sobre la marcha utilizando una reacción en cadena protón-protón, y lo expulsa por la espalda. Cálculos posteriores con estimaciones más precisas sugieren que el empuje generado sería menor que el arrastre causado por cualquier diseño de pala concebible. Sin embargo, la idea es atractiva porque el combustible se recolectaría en el camino (de acuerdo con el concepto de cosecha de energía), por lo que, en teoría, la nave podría acelerar hasta casi la velocidad de la luz. La limitación se debe al hecho de que la reacción solo puede acelerar el propulsor a 0,12c. Por lo tanto, el arrastre de atrapar polvo interestelar y el empuje de acelerar ese mismo polvo a 0,12c serían los mismos cuando la velocidad es de 0,12c, evitando una mayor aceleración.

Propulsión por haz

Este diagrama ilustra El esquema de Robert L. Forward para frenar un vela-luz interestelar en el destino del sistema estelar.

Una vela ligera 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 por impulsos o cohetes, porque no necesitaría transportar su propia masa de reacción y, por lo tanto, solo necesita acelerar la carga útil de la nave. Robert L. Forward propuso un medio para desacelerar una nave interestelar con una vela ligera de 100 kilómetros en el sistema estelar de destino sin requerir la presencia de una matriz de láser 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 vela principal grande se separa de la nave para seguir avanzando por sí sola. La luz se refleja desde la vela principal grande a la vela secundaria, que se utiliza para desacelerar la vela secundaria y la carga útil de la nave espacial. En 2002, Geoffrey A. Landis del centro de investigación Glen de la NASA también propuso un barco de vela de propulsión láser que albergaría una vela de diamante (de unos pocos nanómetros de espesor) impulsada con el uso de energía solar. Con esta propuesta, esta nave interestelar sería, teóricamente, capaz de alcanzar el 10 por ciento de la velocidad de la luz. También se ha propuesto utilizar propulsión por haz para acelerar una nave espacial y propulsión electromagnética para desacelerarla; eliminando así el problema que tiene el estatorreactor Bussard con el arrastre producido durante la aceleración.

Una vela magnética también podría desacelerar en su destino sin depender del combustible transportado o de un haz de conducción en el sistema de destino, al interactuar con el plasma que se encuentra en el viento solar de la estrella de destino y el medio interestelar.

La siguiente tabla enumera algunos conceptos de ejemplo que utilizan propulsión por láser de haz según lo propuesto por el físico Robert L. Forward:

Catálogo de viajes interestelares para usar asistencias fotogravitatorias para una parada completa

La siguiente tabla se basa en el trabajo de Heller, Hippke y Kervella.

• Asistencias exitosas en α Cen A y B podrían permitir tiempos de viaje a 75 yr a ambas estrellas.
• Lightsail tiene una relación de masa a superficie nominal (σ_Nom) de 8.6×10⁻⁴ gramos⁻² para una vela nominal de clase grafitana.
• Área de la Luz, alrededor de 10⁵ m² = (316 m)²
• Velocidad de hasta 37,300 km s⁻¹ (12,5% c)

Combustible preacelerado

Lograr tiempos de viaje interestelar de inicio y parada de menos de una vida humana requiere proporciones de masa de entre 1.000 y 1.000.000, incluso para las estrellas más cercanas. Esto podría lograrse mediante vehículos de varias etapas a gran escala. Alternativamente, los grandes aceleradores lineales podrían impulsar el combustible a los vehículos espaciales propulsados por fisión, evitando las limitaciones de la ecuación Rocket.

Vuelo dinámico

Se ha propuesto el vuelo dinámico como una forma de viajar a través del espacio interestelar.

Conceptos teóricos

Transmisión de mentes con luz

Las mentes humanas cargadas o la IA podrían transmitirse con señales de radio o láser a la velocidad de la luz. Esto requiere un receptor en el destino que primero tendría que configurarse, p. 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 Kardashev tipo III).

Viajes más rápidos que la luz

Representación del artista de una hipotética Wormhole Induction Propelled Spacecraft, basado flojamente en el papel de "engranaje" de 1994 de Miguel Alcubierre.

Científicos y autores han postulado una serie de formas en las que podría ser posible superar la velocidad de la luz, pero incluso las más serias son altamente especulativas.

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. Los mecanismos propuestos para viajar más rápido que la luz dentro de la teoría de la relatividad general requieren la existencia de materia exótica y no se sabe si podría producirse en cantidades suficientes.

En coche de Alcubierre

En física, el impulso de Alcubierre se basa en un argumento, dentro del marco de la relatividad general y sin la introducción de agujeros de gusano, de que es posible modificar el espacio-tiempo de manera que permita que una nave espacial viaje con una velocidad arbitrariamente grande por una expansión local del espacio-tiempo detrás de la nave espacial y una contracción opuesta frente a ella. Sin embargo, este concepto requeriría que la nave espacial incorporara una región de materia exótica, o el concepto hipotético de masa negativa.

Agujero negro artificial

Una idea teórica para permitir el viaje interestelar es impulsar una nave estelar mediante la creación de un agujero negro artificial y el uso de un reflector parabólico para reflejar su radiación de Hawking. Aunque más allá de las capacidades tecnológicas actuales, una nave estelar de agujero negro ofrece algunas ventajas en comparación con otros métodos posibles. Lograr que el agujero negro actúe como fuente de energía y motor también 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 unido a la nave, creando un empuje hacia adelante. Un método un poco más fácil, pero menos eficiente, implicaría simplemente absorber toda la radiación gamma que se dirige hacia la parte delantera de la nave para empujarla hacia adelante y dejar que el resto salga disparado por la parte trasera.

Agujeros de gusano

Los agujeros de gusano son distorsiones conjeturales en el espacio-tiempo que los teóricos postulan que podrían conectar dos puntos arbitrarios en el universo, a través de un puente Einstein-Rosen. No se sabe si los agujeros de gusano son posibles en la práctica. Aunque existen soluciones a la ecuación de la relatividad general de Einstein que permiten agujeros de gusano, todas las soluciones actualmente conocidas implican alguna suposición, por ejemplo, la existencia de masa negativa, que puede no ser física. Sin embargo, Cramer et al. argumentan que tales agujeros de gusano podrían haber sido creados en el universo primitivo, estabilizados por cuerdas cósmicas. Visser analiza la teoría general de los agujeros de gusano en el libro Lorentzian Wormholes.

Diseños y estudios

Nave estelar Enzmann

La nave estelar Enzmann, como detalló G. Harry Stine en la edición de octubre de 1973 de Analog, fue un diseño para una futura nave estelar, basado en las ideas de Robert Duncan-Enzmann. La nave espacial en sí, como se propuso, usó una bola de deuterio congelado de 12,000,000 toneladas para impulsar de 12 a 24 unidades de propulsión de pulso termonuclear. Dos veces más grande que el Empire State Building y ensamblado en órbita, la nave espacial fue parte de un proyecto más grande precedido por sondas interestelares y observación telescópica de sistemas estelares objetivo.

Proyecto Hiperión

El Proyecto Hyperion, uno de los proyectos de Icarus Interstellar, ha analizado varios problemas de viabilidad de los viajes interestelares tripulados. Sus miembros continúan publicando sobre viajes interestelares tripulados en colaboración con la Iniciativa para Estudios Interestelares.

Investigación de la NASA

La NASA ha estado investigando los viajes interestelares desde su formación, traduciendo importantes artículos en idiomas extranjeros y realizando los primeros estudios sobre la aplicación de la propulsión por fusión, en la década de 1960, y la propulsión láser, en la década de 1970, a los viajes interestelares.

En 1994, la NASA y el JPL copatrocinaron un "Taller sobre propulsión avanzada de la teoría cuántica/de la relatividad" para "establecer y utilizar nuevos marcos de referencia para pensar en la cuestión de la velocidad más rápida que la luz (FTL)".

El programa Breakthrough Propulsion Physics de la NASA (terminado en el año fiscal 2003 después de un estudio de 6 años y $ 1,2 millones, porque "ningún avance parece inminente") identificó algunos avances que son necesarios para los viajes interestelares para ser posible.

Geoffrey A. Landis, del Centro de Investigación Glenn de la NASA, afirma que es posible que dentro de 50 años se lance una nave de vela interestelar impulsada por láser, utilizando nuevos métodos de viaje espacial. "Creo que finalmente lo vamos a hacer, es solo una cuestión de cuándo y quién," Landis dijo en una entrevista. Los cohetes son demasiado lentos para enviar humanos en misiones interestelares. En cambio, imagina naves interestelares con velas extensas, propulsadas por luz láser a aproximadamente una décima parte de la velocidad de la luz. Una nave de este tipo tardaría unos 43 años en llegar a Alpha Centauri si atravesara el sistema sin detenerse. Disminuir la velocidad para detenerse en Alpha Centauri podría aumentar el viaje a 100 años, mientras que un viaje sin disminuir la velocidad plantea el problema de realizar observaciones y mediciones suficientemente precisas y útiles durante un sobrevuelo.

Estudio de 100 años de Starship

El estudio 100 Year Starship (100YSS) fue el nombre de un proyecto de un año para evaluar los atributos y sentar las bases para una organización que pueda llevar adelante la visión de 100 Year Starship. Se organizaron simposios relacionados con 100YSS entre 2011 y 2015.

Harold ("Sonny") White del Centro Espacial Johnson de la NASA es miembro de Icarus Interstellar, la fundación sin fines de lucro cuya misión es realizar vuelos interestelares antes del año 2100. En la reunión de 2012 de 100YSS, informó que usó un láser para tratar de deformar el espacio-tiempo en 1 parte en 10 millones con el objetivo de ayudar a hacer posible el viaje interestelar.

Otros diseños

• Proyecto Orión, nave interestelar tripulada humana (1958-1968).
• Proyecto Daedalus, sonda interestelar increible (1973-1978).
• Starwisp, sonda interestelar no decrecida (1985).
• Proyecto Longshot, sonda interestelar sin filo (1987–1988).
• Starseed/launcher, flota de sondas interestelares no conservadas (1996)
• Proyecto Valkyrie, nave interestelar tripulada humana (2009)
• Proyecto Icaro, sonda interestelar sin igual (2009–2014).
• Sonda interestelar sin mancha
• Proyecto Dragonfly, pequeña sonda interestelar propulsada por láser (2013-2015).
• Breakthrough Starshot, flota de sondas interestelares no conservadas, anunció el 12 de abril de 2016.

Organizaciones sin fines de lucro

Existen algunas organizaciones dedicadas a la investigación de la propulsión interestelar y la defensa del caso en todo el mundo. Estos todavía están en su infancia, pero ya están respaldados por una amplia variedad de científicos, estudiantes y profesionales.

• Initiative for Interstellar Studies (UK)
• Tau Zero Foundation (USA)
• Limitless Space Institute (USA)

Viabilidad

Los requisitos de energía hacen que los viajes interestelares sean muy difíciles. Se informó que en la Conferencia de Propulsión Conjunta de 2008, varios expertos opinaron que era improbable que los humanos alguna vez exploraran más allá del Sistema Solar. Brice N. Cassenti, profesor asociado del Departamento de Ingeniería y Ciencias del Instituto Politécnico Rensselaer, afirmó que se necesitaría al menos 100 veces la producción total de energía del mundo [en un año determinado] para enviar una sonda al lugar más cercano. estrella.

El astrofísico Sten Odenwald afirmó que el problema básico es que a través de estudios intensivos de miles de exoplanetas detectados, la mayoría de los destinos más cercanos dentro de los 50 años luz no producen planetas similares a la Tierra en las zonas habitables de la estrella. Dado el gasto multimillonario de algunas de las tecnologías propuestas, los viajeros tendrán que pasar hasta 200 años viajando al 20% de la velocidad de la luz para llegar a los destinos más conocidos. Además, una vez que los viajeros lleguen a su destino (por cualquier medio), no podrán viajar a la superficie del mundo objetivo y establecer una colonia a menos que la atmósfera no sea letal. La perspectiva de hacer un viaje de este tipo, solo para pasar el resto de la vida de la colonia dentro de un hábitat sellado y aventurarse afuera con un traje espacial, puede eliminar muchos posibles objetivos de la lista.

Moverse a una velocidad cercana a la de la luz y encontrar incluso un pequeño objeto estacionario como un grano de arena tendrá consecuencias fatales. Por ejemplo, un gramo de materia que se mueve al 90% de la velocidad de la luz contiene una energía cinética correspondiente a una pequeña bomba nuclear (alrededor de 30kt TNT).

Uno de los principales obstáculos es tener suficientes repuestos a bordo & Repara las instalaciones para un viaje tan largo en el tiempo, suponiendo que se resuelvan todas las demás consideraciones, sin acceso a todos los recursos disponibles en la Tierra.

Misiones interestelares sin beneficio humano

Se prevé que las misiones exploratorias de alta velocidad a Alpha Centauri, según lo previsto por la iniciativa Breakthrough Starshot, serán realizables en el siglo XXI. Es posible, alternativamente, planificar misiones de escrutinio lento sin reservas que lleven milenios a llegar. Estas sondas no serían para beneficio humano en el sentido de que uno no puede prever si habría alguien alrededor de la Tierra interesado en los datos científicos transmisibles. Un ejemplo sería la misión del Génesis, que pretende traer la vida unicelar, en el espíritu de panspermia dirigida, a planetas habitables pero de otro modo estériles. Comparativamente lento crucero sondas Génesis, con una velocidad típica ${displaystyle c/300}$, correspondiente a cerca ${displaystyle 1000,{mbox{km/s}}$, se puede desacelerar usando una vela magnética. Por consiguiente, sería factible que las misiones no asignadas a los beneficios humanos no se beneficiaran de ellos. Para la ética biótica, y su extensión al espacio como ética panbiótica, es un propósito humano para asegurar y propagar la vida y utilizar el espacio para maximizar la vida.

Descubrimiento de planetas similares a la Tierra

En febrero de 2017, la NASA anunció que su telescopio espacial Spitzer había revelado siete planetas del tamaño de la Tierra en el sistema TRAPPIST-1 que orbitaban una estrella enana ultrafría a 40 años luz del Sistema Solar. Tres de estos planetas están firmemente ubicados en la zona habitable, el área alrededor de la estrella madre donde es más probable que un planeta rocoso tenga agua líquida. El descubrimiento establece un nuevo récord para el mayor número de planetas en zonas habitables encontrados alrededor de una sola estrella fuera del Sistema Solar. Todos estos siete planetas podrían tener agua líquida, la clave para la vida tal como la conocemos, en las condiciones atmosféricas adecuadas, pero las posibilidades son mayores con los tres en la zona habitable.