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En la década de 1960, el físico estadounidense Robert W. Bussard propuso una idea radical para los viajes interestelares: una nave espacial que se basara en potentes campos magnéticos para recoger el hidrógeno directamente del medio interestelar. La alta velocidad de este "ramjet" obliga al hidrógeno a entrar en un campo magnético progresivamente estrecho hasta que se produce la fusión. A continuación, el campo magnético dirige la energía resultante hacia la parte trasera de la nave para generar propulsión.
El Bussard Ramjet ha sido popularizado por escritores de ciencia ficción como Poul Anderson, Larry Niven y Vernor Vinge, y por divulgadores científicos como Carl Sagan. Por desgracia, un equipo de físicos ha analizado recientemente el concepto con más detalle y ha concluido que la idea de Bussard no es práctica. En un momento en el que los viajes interestelares parecen destinados a convertirse en una posibilidad real, este análisis podría parecer una manta húmeda, pero es más bien una comprobación de la realidad.
Este detallado análisis fue dirigido por Peter Schattschneider, físico y especialista en ciencia de los materiales de la Universidad de Viena y autor de ciencia ficción. A él se unió Albert A. Jackson, físico de la empresa aeroespacial Triton Systems, LLC, con sede en Texas. El estudio que describe sus hallazgos ("The Fishback ramjet revisited") aparecerá en la revista científica Acta Astronautica en febrero de 2022.
El Bussard Ramjet es una solución elegante para enviar misiones con tripulación a otros sistemas estelares, al menos en teoría. Conceptos anteriores, como la propulsión por impulsos nucleares (NPP) y la propulsión por fusión, se habían propuesto en forma de Proyecto Orión y Proyecto Dédalo. Estos conceptos eran respuestas a los retos fundamentales de alcanzar el tipo de velocidades necesarias para llegar a otro sistema estelar en un tiempo relativamente corto. En otras palabras, tendrían que llegar a una fracción de la velocidad de la luz ("velocidades relativistas").
Sin embargo, estos métodos se consideraron poco prácticos debido al tamaño, la masa y el coste de las naves espaciales implicadas. El Proyecto Orión y otras propuestas de la NPP implicaban que una nave espacial generara propulsión mediante la detonación cuidadosamente programada de ojivas nucleares detrás del vehículo. Una "placa de empuje" orientada hacia atrás absorbería la fuerza cinética resultante de estas detonaciones y la convertiría en impulso.
Aunque una nave espacial Orión podría alcanzar teóricamente el 10% de la velocidad de la luz, se necesitarían entre cientos y miles de dispositivos nucleares para lograrlo. Esto, a su vez, requeriría una nave espacial muy grande y muchos cohetes externos para llevarla al espacio, lo que supondría un precio prohibitivo. También estaba el problema de la lluvia radioactiva, que una nave Orión dejaría a su paso. Además, el proyecto se hizo insostenible con la aprobación del Tratado de Prohibición Parcial de Pruebas de 1963, que prohibía las pruebas nucleares en la atmósfera terrestre, el espacio o bajo el agua.
En cambio, el proyecto Dédalo preveía una sonda de dos etapas sin tripulación que se basaría en bolitas de deuterio o helio-3 para generar la propulsión. Estos gránulos se fundirían en una cámara de reacción utilizando láseres de electrones, y la energía resultante se dirigiría a la parte trasera para crear empuje. Sin embargo, la cantidad de propulsor necesaria para acelerar la nave a velocidades relativistas significaba que la mayor parte de la masa y el volumen de la nave eran ocupados por el propulsor y los tanques de propulsión.
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| Comparación de la nave espacial Dédalo y el cohete lunar Saturno V. Crédito/copyright: Adrian Mann. |
En su propuesta, titulada "Galactic Matter and Interstellar Flight", Bussard propuso una variación del cohete de fusión tradicional. El Ramjet utilizaría un potente campo magnético para usar el gas hidrógeno del ISM "como fuente de energía por fusión nuclear y como fluido de trabajo". Al obtener su suministro de propulsor directamente del ISM, el Ramjet prescindía de los voluminosos depósitos de propulsor y podía ser mucho más pequeño y menos masivo que el concepto Daedalus.
Nueve años más tarde, el campo magnético se describió teóricamente por primera vez en un artículo titulado "Relativistic interstellar spaceflight", escrito por el investigador del MIT John F. Fishback. Desde entonces, la idea ha suscitado un gran interés entre los aficionados a la ciencia ficción y los miembros de la comunidad técnica y astronáutica. Según Peter Schattschneider, en un reciente comunicado de prensa de la Universidad Técnica de Viena:
"No cabe duda de que la idea merece ser investigada. En el espacio interestelar hay gas muy diluido, sobre todo hidrógeno, aproximadamente un átomo por centímetro cúbico. Si se recogiera el hidrógeno delante de la nave, como en un embudo magnético, con la ayuda de enormes campos magnéticos, se podría utilizar para hacer funcionar un reactor de fusión y acelerar la nave".
Para su estudio, Schattschneider y Jackson reexaminaron el Bussard Ramjet utilizando un software desarrollado en la Universidad de Viena como parte de un proyecto de investigación para el cálculo de campos electromagnéticos en la microscopía electrónica. Comprobaron que el principio básico de la captura magnética de partículas funciona, es decir, que las partículas pueden ser recogidas en el campo magnético propuesto y guiadas a una cámara de reacción.
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| Un enjambre de naves espaciales de vela láser abandonando el sistema solar. Crédito: Adrian Mann |
Sus resultados fueron una especie de "buenas y malas noticias". De acuerdo con lo que Fishback sugirió, un "campo magnético estático 'que varía lentamente' es capaz de canalizar la materia interestelar y guiarla hacia un reactor de fusión. De este modo, se puede mantener una aceleración constante de una gravedad terrestre (1 g) hasta alcanzar velocidades relativistas. Sin embargo, cuando calcularon el tamaño del embudo magnético, ahí empezaron las malas noticias.
Para lograr un empuje de 10 millones de newtons (N) -equivalente al doble de la propulsión principal del transbordador espacial-, el campo magnético tendría que tener un diámetro de 4000 km (2485 mi). Y lo que es peor, el campo tendría que tener una longitud de 150 millones de km para capturar y canalizar adecuadamente el material del ISM hacia la reacción de fusión de la nave. Esto equivale a la distancia entre el Sol y la Tierra, también conocida como una Unidad Astronómica (1 UA).
Aunque una hazaña de ingeniería de este tipo sería posible para una civilización muy avanzada, todavía no está al alcance de nuestras posibilidades. Además, la propuesta de Bussard se basaba en estimaciones de la densidad del ISM que se demostraron inexactas aproximadamente una década después. Aunque varios reanálisis han indicado que un ramjet de fusión podría ser factible con concentraciones más bajas de hidrógeno en el ISM, esta última investigación muestra que los desafíos técnicos no están a nuestro alcance.
¿Qué significa esto para los viajes interestelares? Por desgracia, no mucho, al menos no mucho que no sospecháramos ya. Por el momento, parece que la única opción práctica es enviar diminutas naves de vela a las estrellas más cercanas utilizando la propulsión de energía dirigida (DEP). En los próximos años, Breakthrough Starshot, el Proyecto Dragonfly y otros planean enviar este tipo de naves a Alfa Centauri y otras estrellas con la esperanza de lograr un vuelo interestelar en nuestra vida.
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| Impresión artística del Bussard Ramjet. Crédito: Adrian Mann |
Mientras tanto, la investigación sobre los cohetes nucleares continúa, ¡con resultados prometedores! Este método de propulsión se presenta en forma de propulsión nuclear-térmica (NTP) y propulsión nuclear-eléctrica (NEP). Mientras que la primera implica el uso de reactores -como el Motor Nuclear para la Aplicación de Vehículos Cohete (NERVA)- para calentar el combustible de hidrógeno para crear empuje, la segunda se basa en un reactor para cargar eléctricamente un gas inerte como un propulsor de efecto Hall (pero con mayor densidad de energía).
Se espera que este método se convierta en el medio más utilizado para las misiones interplanetarias en un futuro próximo. De hecho, algunas estimaciones indican que la propulsión nuclear permitirá realizar viajes de la Tierra a Marte en sólo 100 días. Al mismo tiempo, organizaciones como la Iniciativa de Estudios Interestelares (i4is), Icarus Interstellar y la Sociedad Interplanetaria Británica siguen investigando otros métodos propuestos para los viajes interestelares.
Además de las naves espaciales relativistas y la propulsión, también se dedican a estudiar la viabilidad de las naves de generación, las naves espaciales criogénicas y otros métodos para enviar pasajeros humanos a colonizar otros sistemas solares. El viaje continúa, ¡aunque los planes de viaje necesiten un ajuste!
Fuentes, créditos y referencias:
Más información: TU Wien, Acta Astronautica
Créditos a Universe Today