Exoplanetas Habitables: Un velero rumbo a Proxima Centauri.

El hallazgo espectacular de un planeta en Proxima Centauri, la estrella más próxima al Sistema Solar, a sólo 4,24 años luz, ha excitado la imaginación de todos. Viajar hasta la estrella más cercana siempre nos ha parecido una tarea colosal, sin embargo, aunque la distancia que nos separa es inmensa, cada vez estamos más tentados a intentarlo. Y es que allí hay al menos un planeta esperándonos.

Una representación artística de una vela láser llegando a Proxima Centauri. (Fuente: PHL. Universidad de Puerto Rico en Arecibo y René Feller.)

Las tecnologías actuales, basadas principalmente en motores químicos rudimentarios son claramente insuficientes para emprender esta aventura alucinante. Cuando se plantea viajar a las estrellas la sonda Voyager 2 no parece más útil que un bote de remos: actualmente escapa del Sistema Solar a 17 km/s. Si fuera en la dirección adecuada tardaría algo así como 75.000 años en llegar a Proxima Centauri. No queda duda. Se necesitan nuevos planteamientos y los veleros de luz son uno de ellos.

Desde los tiempos más remotos, los veleros fueron esenciales en la expansión de las civilizaciones, barcos de vela propulsados por el viento fueron el soporte de las rutas comerciales de la antigüedad. Es apasionante entrar en las mastabas del Antiguo Imperio egipcio y contemplar, entre penumbras, los bajorrelieves datados en más de 4.000 años de antigüedad, en los albores de la civilización. Yo los he visto. Impresionan esos barcos extraños rodeados de jeroglíficos, con mástiles primitivos en forma de trípode, un remo a modo de timón rudimentario, un velamen elemental incapaz de ceñir…

No deja de ser sorprendente que en la aurora de la civilización espacial la Humanidad vuelve a considerar nuevamente un velero para viajar, en este caso a las estrellas. Es verdad, es un velero distinto, impulsado por la presión de la luz sobre una superficie a menudo reflectante, sobre una vela de luz.

El principio físico es bien conocido desde hace siglos. El propio Johannes Kepler observando la cola de los comentas se dio cuenta de que la cola siempre estaba en dirección opuesta al Sol. Kepler intuyó que la luz del Sol, de alguna manera, empujaba la cola del cometa.

La luz al incidir sobre la vela le transmite momento. Este momento depende de la potencia emitida por la fuente de luz, sea el Sol o un láser. La aceleración de cada metro cuadrado de vela depende, claro, de su masa de la vela, de ahí que se prefieran velas ultraligeras. Además, es bueno que las velas sean reflectantes porque al reflejar la luz la ganancia de momento de la vela es doble. La fuerza es de 6,7 newtons por gigavatio de luz reflejado. Es por ello que las velas a menudo están confeccionadas incorporando delgadas láminas de aluminio. El proceso no está exento de peligros. Parte de la energía lumínica que incide sobre la vela se absorbe, dependiendo del material, y esta se calienta, hasta el punto de que hay que tener cuidado de que la vela no se funda.

Fue en 1924 cuando Friedrich Zander propuso una nave sin combustible, cuya única propulsión dependía de la luz del Sol. Se podía utilizar una superficie reflectante y ligera. La fuerza del Sol no era muy potente pero podía actuar durante meses y años. Después de todo la energía del Sol es abundante y totalmente gratis.

Las primeras velas propuestas eran impulsadas por la luz del Sol. Sin embargo, los años 60 pusieron a disposición de la sociedad nuevas tecnologías, entre ellas los primeros sistemas láser. Este descubrimiento permitió el diseño de veleros novedosos, impulsados por estos dispositivos. Eran naves enormes, monstruosas, que pesaban varias toneladas, impulsadas por láseres de dimensiones inimaginables de miles de kilómetros cuadrados.

Quizá el velero láser más conocido de esta época sea el de Robert L. Forward de 1984. La fuente de energía era un láser de 65 GW alimentado por la energía del Sol a 15 UA, enfocado por una lente de Fresnel de plástico monstruosa, de 1.000 km de diámetro. La nave de 1 tonelada alcanzaba el 11% de la velocidad de la luz gracias a una fina vela de aluminio que en su configuración inicial tenía 3,6 km de diámetro. El factor más limitador del diseño era la vela de aluminio, por la posibilidad de que el potente láser pudiera fundirla.

Esquema del funcionamiento de una vela láser. La luz del láser es enfocada hacia la vela. Que recibe una intensa fuerza que la acelera hasta enormes velocidades. (Fuente: Landis, 1999)

En 1985 Forward también planteó longitudes de onda distintas del visible en un proyecto de un velero con el sugerente nombre “Starwisp”, una nave con velas formadas por una suerte de malla de cables impulsada por 10 GW de radiación de microondas generada por un satélite alimentado por energía solar, con la pretensión de viajar hacia Alfa Centauri al 20% de la velocidad de la luz.

La idea desarrollada por Forward de utilizar microondas era de Dyson, tenía algunas ventajas. Por un lado, los emisores de microondas eran mucho más eficientes que un láser, con la reducción de costes consecuente. Además, para una determinada apertura el emisor era más fácil de fabricar. Las velas no necesitaban ser una superficie sólida, a menudo bastaba con una malla de cables del tamaño adecuado.

Quizá la longitud de onda (3 cm) elegida por Forward para el emisor no era la más adecuada, y la antena resultante era (nuevamente) muy grande, más bien enormemente enorme: ¡50.000 km!. Más grande que la propia Tierra, por cierto. Y todo ello a pesar de que la sonda era de apenas 4 gramos de circuitos más los 16 gramos de la vela. Estudios posteriores mostraron que la vela, sometida a tanta intensidad, no aguantaría y simplemente se fundiría. Hum.

Muy interesantes fueron los diseños de Landis, quien propuso que la clave era la absorción, y no la reflexión. No tenía necesariamente que ser un espejo. La vela absorbía la energía incidente, y se iba calentando, pudiendo recibir tanta potencia como el material soportarse. La clave no eran superficies muy reflectantes, sino que tuvieran un alto punto de fusión. Se empezó, claro, a pensar en velas hechas de compuestos muy resistentes al calentamiento. Sin embargo, sus diseños no terminaron convenciendo.

Su primera propuesta utilizaba una longitud de onda más corta (3 mm) posibilitando una antena más pequeña, que terminó siendo de 125 km. La sonda era de apenas 80 gramos y aceleraba a 0,005 veces la velocidad de la luz. Demasiado lento, quizá. Tardaría varios cientos de años en llegar a Proxima. También planteó un velero que recibía luz visible, con las velas de zafiro…

Detalle de algunos diseños de veleros del espacio. En principio el de Landis de 1999 parece el más razonable. Una carga de pago de 6 gramos a 10% c. El empleo de energía es moderado con sólo 448 MW, la mitad de lo producido por una central nuclear grande. Sin embargo, las velas eran de zafiro. (Fuente: Scheffer, 2015)

Recientemente, la ciencia de los nuevos materiales ha aportado planteamientos futuristas de veleros equipados con velas extremadamente resistentes y ligeras (Matloff, 2012). Está por ver si serán posibles estos diseños que abandonan el aluminio de las velas, sustituyéndolo por materiales más exóticos, como el grafeno para la vela y los nanotubos de carbono para los cabos, que diría un marinero.

En un artículo de 2015 Louis K. Scheffer propone una vela no reflectante de grafeno que muestra una mayor resistencia ante las tensiones a las que debe ser sometida. Para el transmisor láser propone una lente de Fresnel mejorada. El resultado de su propuesta (en su versión más sencilla) es un velero de 1 kg que acelera al 10% de la velocidad de la luz desplegando unas velas de 87,5 metros de radio; pero el emisor sigue siendo grande. Emite 183 GW de potencia, con un radio de 7,65 km y una masa de casi 10.000 toneladas.

Scheffer termina su artículo con un mensaje agridulce: “Incluso con las posibles mejoras descritas aquí, las instalaciones para sondas interestelares serán grandes, y demasiado costosas para la economía de la Tierra actual. No serán construidas en los próximos años, ni en las próximas décadas, pero quizás no están tan lejanas como se ha pensado.”

Más recientemente, Breakthrough Starshot Initiative se ha puesto manos a la obra para el desarrollo de las tecnologías necesarias que conviertan este tipo de veleros en una realidad. Hay presupuesto y parece que van en serio. Son diseños de naves altamente compactas (nanocrafts), compuestas por una pequeña vela de luz que transportará un Starchip, resultado de una miniaturización electrónica muy avanzada, que algún día quizá sea posible. Se espera acelerar estas nanosondas hasta el 20% de la velocidad de la luz, alcanzando Proxima Centauri en apenas unos 20 años. El lanzamiento será el resultado de un proceso complejo:

Primero se construirá una instalación de un emisor de luz del orden de 100 GW. Una de las novedades es que el pesado y costoso emisor y los instrumentos de enfoque serán instalados en la Tierra (cerca del Polo Sur, claro, para poder apuntar hacia Proxima), abaratando drásticamente el coste del proyecto.
Se generará y almacenará la energía necesaria para poder liberar los cientos de GW en unas horas.
Será lanzado un cohete que dejarán en órbita miles de nanosondas (nanocrafts)
El rayo de luz acelerará en unos minutos las nanosondas a un porcentaje de la velocidad de la luz.

Un Starchip es el corazón de la nanosonda. El fruto de la constante miniaturización tecnológica. (Fuente: Starshot Breakthrough)

Suena impresionante. Espero que tengan éxito y que no dañen la maltrecha atmósfera de la Tierra.

La llegada.

Uno de los problemas de la llegada es la propia frenada. A, digamos, un 10% de la velocidad de la luz, la nave apenas pasaría unas horas en el sistema de Proxima y casi no tendrá tiempo para observar nada.

Los marinos de la Tierra saben que la zona de “Los cuarenta rugientes” es peligrosa. Es una zona de los mares de la Tierra, entre 40 y 50 grados de latitud sur, donde siempre hay unas tormentas que asustarían al marino más avezado. De la misma manera, la llegada a Proxima Centauri no será tarea fácil. Como sabemos, navegar cerca de Proxima es navegar en medio de tormentas magnéticas. Podríamos decir que Proxima es algo así como uno de los “cuarenta rugientes” del espacio, una estrella totalmente convectiva, activa, fulgurante, con un campo magnético sumamente poderoso (600 veces más potente que el del Sol), en el que las Eyecciones de Masa Coronaria (CME, en inglés) podrían afectar al frágil velero de luz.

Con el tiempo los marinos aprendieron a desafiar las tormentas de los mares australes. Fue en el siglo XIX cuando los Clippers, esos magníficos veleros que hacían la ruta desde el sudeste asiático hacia Europa, comprendieron que atravesar las tormentas del sur les podrían hacer ir mucho más rápido. De la misma manera esas tormentas magnéticas de Proxima quizá algún día podrían ser aprovechadas en frenar, de alguna manera, la nave.

René Heller ha planteado hace apenas unas semanas (2017) un método muy original de acercamiento y frenado de un velero de luz. Para ello se emplea el efecto fotogravitacional de las tres estrellas del sistema Alfa Centauri.

Según Heller y Hippke si la nave llegase a una velocidad moderada (4,6% c, tardando casi 100 años en llegar) podría frenar por el efecto conjunto gravitatotio y de la presión de la luz. Tardaría 46 años adicionales para llegar a Proxima desde Alfa Centauri B (Fuente: PHL. Universidad de Puerto Rico en Arecibo. René Heller)

Pero sin duda, el sistema de frenado más complejo fue el que propuso Forward en 1984. La idea era que partiese una nave independiente adelantada respecto a la nave con la carga de pago. Cuando se acercaban al objetivo la idea era enviar un potentísimo haz de luz láser, de varios Teravatios hacia la vela de la nave adelantada, que hacía de “espejo” reflejando la luz sobre el velero que llevaba la carga de pago.

La nave de Forward frenando. Un espejo adelantado de 100 km refleja la luz del láser de varios teravatios enfocada por la enorme lente de Fresnel. la nave de 30 km de vela recibe la luz frontalmente y frena.(Fuente: Forward, 1984)