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viernes, 5 de mayo de 2017

Avances en el estudio de velas láser

Comienzan los estudios teóricos para enviar unas velas láser a Alfa Centauri.

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Hace ya unos meses que se propuso la iniciativa Breakthrough Starshot para enviar unas velas láser al sistema de Alfa Centauri a un 20% de la velocidad de la luz. Con ello se pretende enviar a las estrellas más cercanas un ingenio construido por el hombre dentro de una generación.
El viaje no es nada sencillo, pues 4,22 años luz de distancia es mucha distancia, aunque se trate de las estrellas más cercanas. A esa velocidad se trataría más de 20 años en llegar a destino, pero, aun así, permitiría realizar la misión dentro de la vida profesional de un científico.
El proyecto está financiado por el millonario Yuri Milner con 100 millones de dólares, lo que cubrirá solamente algunos estudios preliminares y de viabilidad. Esta idea es algo que ya fue cubierto por NeoFronteras en el pasado, pero en aquel momento la idea era un tanto vaga y con el tiempo han empezado a perfilarla mejor y a ver los posibles problemas que una misión así puede tener.
En un chip lo más pequeño y ligero que se pueda crear (se estima en un 1 cm cuadrado) se incorporará toda la electrónica, cámaras, espectroscopios, sistema de guiado y maniobra, un generador de energía basado en plutonio-238 y un sistema para enviar la información a casa.
En teoría, las imágenes y espectros de los planetas con los que se encuentre informarían de las posibles condiciones para la vida de esos mundos.
El descubrimiento de Proxima centauri b ha hecho replantearse la misión para poder visitar además este nuevo mundo, que, por suerte, está en la zona de habitabilidad.
Aunque, previamente a todo ello, el desarrollo de toda la tecnología implicada llevaría otros 20 años y unos costes totales de unos 10.000 millones de dólares.
Además del “chip prodigioso” habría que desarrollar la velas, que serían ligeras y muy extensas, así como el necesario sistema láser (o microondas) de 100 gigavatios en modo continuo, que es un millón de veces más de lo que cualquier láser puede dar en ese modo (no así en modo pulsado). Una batería formada por estos láseres o máseres finalmente ocuparían como mínimo un kilómetro de ancho sobre la superficie terrestre. Para hacernos una idea las centrales nuclear ahora en uso proporcionan una potencia eléctrica de entre 1 y 5 gigavatios. El rendimiento de los láseres también hay que tenerlo en cuenta.
La sonda, de un gramo de peso en total, sería lanzada a la órbita terrestre con un cohete convencional y entonces se desplegaría la vela de unos 4 metros de ancho y el láser empezaría a empujarla por la presión que ejercen los fotones al transferir momento a la superficie, lo que la aceleraría a 100.000 m/s2 (unos 10.000 g). La vela tendría que reflejar la luz incidente en un 99,999% para evitar daños. La acción de estos láseres sería sólo durante un corto tiempo y luego la sonda viajaría por inercia, ya a ese 20% de la velocidad de la luz. La ventaja es que este sistema permitiría enviar varias de estas sondas de forma consecutiva a una cadencia de una o más sondas al día. También se podría incluso enviar con este sistema, y en muy poco tiempo, sondas a Plutón y otros lugares lejanos del Sistema Solar.
Un primer paso puede ser desarrollar un prototipo que permita acelerar uno de estos sistemas a sólo 1000 km/s, lo que costaría entre 500 y 1000 millones de dólares.
Los aspectos que acabamos de ver son, sencillamente, brutales y, por tanto, complicados de conseguir. Pero hay aún más inconvenientes. El primer problema son las colisiones con otros objetos, incluso una mota de polvo de la nube de Oort a un 20% de la velocidad de la puede dañar el sistema. Su pequeño tamaño es una ventaja, pero una distancia de más de 4 años luz dan para muchas motas de polvo por el camino. Aunque la realidad es que no tenemos ni idea de cómo puede ser el medio interestelar.
Otro problema son los rayos cósmicos, por lo que se planea cubrir el chip con un escudo de un 1mm de grosor de una aleación de cobre-berilio, lo que añade bastante peso. Pero aun así es posible que varios rayos cósmicos consigan degradar la electrónica.
La ventaja es que juega con un sistema redundante que puede permitirse el lujo de perder algunas de las sondas.
El aburrimiento durante esos 20 años será muy elevado, pero la llegada de las sondas a partir del 2060 (si todo sale como lo planeado) tampoco estará exento de problemas. La sonda podría acercarse a Proxima b a 1UA, pero incluso a esa distancia podría tomar fotos. Fotos que tendría que ser procesadas en la Tierra para eliminar los efectos de la velocidad relativista con la que son tomadas. Pero esas fotos serían suficientes como para decidir si es un planeta propicio para la vida, si hay mares, continentes, vegetación, casquetes polares, etc. Los complementarios datos espectrales nos indicarían si hay bioindicadores, como el oxígeno libre.
Pero enviar los datos con un emisor de 1 vatio de potencia tampoco es sencillo, Para ello se necesitaría un campo de antenas en la Tierra del mismo tamaño que el campo de láseres inicial. Para mejorar la recepción se usarían condensadores que aumentaría la potencia haciendo que la información se transmita pulsos. Es como la luz de un flash de una cámara que, pese a estar alimentado por unas pilas, es muy brillante. También se podría usar la misma vela como antena emisora.
El gran problema es que cada sonda pasaría de largo y casi no tendría tiempo de tomar fotos e imágenes. Aunque la misión New Horizons a Plutón nos ha enseñado que un fly-by puede significar un incremento increíble de la información que se puede obtener respecto a la que se recolecta desde la Tierra (incluso con el Hubble), pues de este planeta no sabíamos casi nada antes de esta misión.
Por otro lado, René Heller (Instituto Max Planck de Göttingen) y Michael Hippke parecen que han dado con una solución para poder desacelerar sondas de este tipo una vez llegan a su destino.
La solución está en que la sonda despliegue una vela que le permita ser frenada por la presión de la luz de la estrella destino. Cuanto más cerca estuviera de la estrella mayor sería la desaceleración.
El peso total de la sonda con velas incluidas tendría que ser de 100 gramos y las velas tener una superficie de 10 hectáreas. Se podría pensar en una vela hecha de grafeno recubierto de algún tipo de material muy reflectante (se ha pensado en una capa monoatómica de silicio), pero a 10 gramos la hectárea (sin contar la carga de pago) se hace difícil de imaginar.
Para el sistema Alfa centauri han pensado además en el plan de vuelo y en una maniobra que permitiría visitar varios cuerpos. En un principio iría hasta la estrella Alfa centauri A hasta acercarse a 4 millones de km (5 radios estelares en ese caso) y a 13.800 km/s (a una velocidad de 0,046c que es bastante menor que la prometida por Starshot). Durante esta maniobra la sonda sería frenada por la luz de la estrella y atraída por su campo gravitatorio. Además, sería desviada de su trayectoria. Este tipo de maniobra, mezcla de frenado láser y maniobra de asistencia gravitatoria, se podría realizar varias veces usando otras estrellas del sistema estelar (hay 3 estrellas en él) para así visitar otros cuerpos e incluso poder llegar a orbitar Proxima. La misión completa sería realizada en menos de 100 años.
Aunque todo esto es hablar por hablar, pues mucho antes de desarrollar esta tecnología podremos saber si en el sistema Alfa centauri hay planetas interesantes que tengan o no vida. Incluso en los más de 40 años que tardaría un proyecto como el descrito en realizarse, se pueden desarrollar poderosas formaciones de telescopios gigantes espaciales que proporcionen imágenes de exoplanetas con sus bioindicadores si los hay. Todo ello si se financia claro. ¿Merece la pena entonces una misión de este tipo?
La pena es tener que discutir sobre la defensa de este tipo de proyectos cuando el gasto es enorme en otras áreas. Varias veces el presupuesto final de Breakthrough Starshot se han gastado individualmente varios países en rescatar a sus bancos o en desarrollar y producir aviones de combate fallidos como el F-35, cuyo costo para los EEUU se estimaba hace ya un tiempo en los 382.000 millones de dólares.
La gran ventaja de un proyecto así sería el gran retorno en desarrollo tecnológico que se produciría. También sería bonito tratar de alcanzar las estrellas en un proyecto cooperativo en el que se necesitaría mucha gente durante mucho tiempo, como una catedral científica moderna. Todo para saber mejor si estamos solos o no en el Universo.
El reto, además, sería llegar allí sin que antes hayamos destruido ecológica y climáticamente nuestro planeta y sin que algún chalado con problemas de personalidad haya apretado el botón rojo en ese tiempo.
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