Posibilidades emergentes para los avances en propulsión espacial

Traductor : Francisco M. Pulido Pastor
Supervisor : hypatia

Fecha publicación Astroseti :29-Mar-2006
Fecha articulo original :29-Mar-2006

Posibilidades emergentes para los avances en propulsión espacial

Publicado originalmente en el Interstellar Propulsion Society Newsletter, Vol. I, Nº. 1, 1 de Julio, 1995.

Marc G. Millis

División de Tecnología de Propulsión Espacial

Centro de Investigación Lewis de la NASA

Cleveland, Ohio

El sistema de propulsión interestelar ideal sería uno que pudiera llevarte a otras estrellas tan rápida y cómodamente como se imagina en la ciencia ficción. Antes de que esto pueda hacerse realidad, son necesarios dos avances científicos: el descubrimiento de un método para sobrepasar la velocidad de la luz, y el descubrimiento de un medio de manipular el acoplamiento entre la masa y el espacio-tiempo. Este artículo explica por qué estos avances son necesarios y presenta las posibilidades emergentes que podrían con el tiempo conducir a estos avances. Sería importante destacar que cualquiera de estos avances por si mismo tendría consecuencias revolucionarias que serían de enorme valor.

La necesidad de exceder la velocidad de la luz: Es un hecho, el universo es grande. La cosa más rápida que conocemos es la luz, e incluso a la luz le cuesta unos cuatro años alcanzar nuestra estrella vecina más cercana. Cuando la nave Voyager de la NASA abandonó nuestro sistema solar estaba viajando a unos 60 000 kilómetros por hora. A esa velocidad no podría alcanzar la estrella más cercana hasta después de 80000 años. Si queremos viajar a otras estrellas en cómodos intervalos de tiempo (digamos, menos que un discurso
en el Congreso), tenemos que resolver una forma de ir más rápido que la luz.

La necesidad de manipular el acoplamiento de masa y espacio-tiempo: Esta necesidad es menos obvia que el tema de la velocidad de la luz. El problema es el combustible, o más concretamente, el propulsor del cohete. A diferencia de un coche que tiene una carretera sobre la que impulsarse, o de un avión que tiene el aire contra el que empujar, los cohetes no tienen carreteras o aire en el espacio. Los cohetes tienen que transportar toda la masa que necesitarán para impulsarse. Para soslayar este problema, necesitamos encontrar un modo de interactuar con el espacio-tiempo mismo para inducir fuerzas propulsoras sin usar combustible. Esto implica que necesitaremos una manera de alterar la inercia de un vehículo, su campo gravitatorio, o su conectividad con la misma estructura del espacio-tiempo.

¿Hasta que punto son limitados los cohetes para el viaje interestelar?. Aunque los cohetes son razonables para viajes en órbita o hasta la Luna, se vuelven inadecuados para el viaje interestelar. Si quieres transportar una carga de un tamaño modesto, digamos una carga completa de la Lanzadera (20000 Kg.), y eres lo bastante paciente para esperar 900 años para que vuele sólo hasta la estrella más cercana, aquí tienes el combustible que necesitarás: Si usas un cohete como el de la Lanzadera (un Isp (Impulso Específico, Specific Impulse)~ 500s), no hay suficiente masa en el universo para llevarte hasta allí. Si usas un cohete de fisión nuclear (Isp~ 5.000s) necesitas alrededor de un millón de súper-naves cisterna de combustible. Si usas un cohete de fusión nuclear (Isp~10.000s) sólo necesitas alrededor de un millar de súper-naves cisterna. Y si asumimos que tendrás un magnífico cohete de Iones o de Antimateria (Isp~50.000s), bueno, ahora sólo necesitarás unos diez trenes cisterna. La cosa se pone peor si quieres llegar antes. (Basado en fracciones de masa de la ref.1, Pág. 52).

Hay otras ideas, como usar velas de luz empujadas por láser que no necesiten combustible, pero éstas tienen sus limitaciones. La mayor limitación es su dependencia del láser que permanece cerca de la Tierra. Para hacer una cambio de ruta imprevisto necesitan conectar por radio con el láser para trazar su nuevo curso y esperar a que lo haga. A distancias interestelares esto es prohibitivo. A un año luz de la Tierra, por ejemplo, llevaría dos años enviar la orden y volver a recibir el nuevo rumbo.

¿Hay esperanza?: La ciencia continúa avanzando. Además de las continuas correcciones de la relatividad general y otros intentos para comprender mejor la masa, el espacio, y el tiempo, se han publicado recientemente algunas teorías que aportan nuevas perspectivas, teorías que han sido descritas en varios nuevos artículos (Ref.. 2 a 6). Cada una de estas teorías tiene alguna relevancia para la propulsión y presenta nuevas avenidas desde las que comenzar a buscar para el avance de la física. Estas recientes teorías están resumidas a continuación.

Una teoría sobre el 'empuje hiperespacial': Usando el protocolo de la relatividad general, se ha demostrado que viajar más rápido que la luz puede ser posible (ref. 7) . Todo lo que se necesita hacer es contraer el espacio-tiempo frente a tu nave y expandir el espacio-tiempo tras ella. Este espacio 'distorsionado' y la región que contiene se impulsaría a si mismo 'con una velocidad arbitrariamente grande' (ref. 7). Los observadores fuera de esta 'torsión' la verían moverse más rápido que la velocidad de la luz. Los observadores dentro de esta 'torsión' no sentirían aceleración alguna a medida que se deslizan con rapidez a velocidad 'warp'.

¿Así que cuál es el truco? En primer lugar, para expandir el espacio-tiempo tras la nave necesitarás materia que tenga una densidad negativa de energía como masa negativa, y montones de ella también. Se desconoce en física si la masa negativa o las densidades negativas de energía pueden existir. La física clásica tiende al 'no', mientras que la física cuántica se inclina por el 'puede que si'. En segundo lugar, necesitaras cantidades iguales de materia con densidad de energía positiva, masa positiva, para contraer el espacio-tiempo delante de la nave. En tercer lugar, necesitaras una forma de controlar este efecto para activarlo y desactivarlo a voluntad. Y por último, está el debate sobre si toda esta 'torsión' se movería de hecho más rápido que la velocidad de la luz. Para centrar este asunto de la aceleración, la teoría se basa en la perspectiva del 'universo inflacionario'. La idea es algo parecido a esto: Aunque la velocidad de la luz en un límite en el espacio-tiempo, la velocidad a la que el mismo espacio-tiempo puede expandirse o contraerse es un tema abierto. Durante los primeros momentos del Big Bang, el espacio-tiempo se expande más rápido que la velocidad de la luz. Por tanto, si el espacio-tiempo puede expandirse más rápido que la velocidad de la luz durante el Big Bang, ¿por qué no para nuestro impulso warp?.

Justo antes de la publicación de la teoría citada, se llevó a cabo un taller en el JPL para examinar las posibilidades del viaje más rápido que la luz (ref. 8). Agujeros de gusano, taquiones, y dimensiones alternas fueron solo alguno de los temas examinados. Las conclusiones de este taller informal de dos días son las que siguen:

1. El viaje más veloz que la luz está más allá de nuestros actuales horizontes. No sólo es que la física esté inadecuadamente desarrollada, sino que esta física no está orientada hacia la propulsión espacial o hacia experimentos a escala de laboratorio.


2. Las violaciones de la causalidad (en las que el efecto precede a la causa) son inevitables si el viaje más rápido que la luz es posible, pero es incierto si las violaciones de la causalidad están en si mismas físicamente prohibidas.


3. Unas pocas aproximaciones experimentales son factibles para dirigir a la ciencia asociada con el viaje más rápido que la luz, incluyendo:
   
   
   
   1. La búsqueda de pruebas de agujeros de gusano usando las observaciones astronómicas: buscar un grupo de estrellas que se muevan juntas o las distorsiones visuales indicadoras de la entrada a un agujero de masa negativa.
   
   
   2. Medir la velocidad de la luz dentro de una cavidad de Casimir (entre placas conductoras separadas estrechamente) para buscar pruebas de energía espacial negativa. Esto se aplica a los
      agujeros de gusano, taquiones, y al tema de la densidad negativa de energía.
   
   
   3. Resolver la masa en reposo del Neutrino, determinando si la prueba experimental no confirmada de la masa imaginaria es genuina.
   
   
   4. Estudiar los rayos cósmicos sobre la atmósfera, usando objetivos dispersos de composición conocida para buscar la prueba característica de taquiones y de eventos físicos de partículas más generales.
   
   
   
   

Nuevas formas de pensar sobre la inercia y la gravedad: Como antes mencionábamos, el viaje interestelar ideal tendría la capacidad de manipular la conexión entre la masa y el espacio-tiempo. Una estrategia es buscar formas de usar el electromagnetismo, un fenómeno para el que somos tecnológicamente capaces, para controlar las fuerzas inerciales o gravitacionales. Es sabido que la gravedad y el electromagnetismo son fenómenos emparejados. En el formalismo de la relatividad general este emparejamiento se describe en términos de cómo la masa curva el espacio-tiempo contra el cual se mide el electromagnetismo. En términos simples esto tiene la consecuencia de que la gravedad parece curvar la luz, hacerla correrse al rojo y ralentizar el tiempo. Estas observaciones y el formalismo de la relatividad general que las describe han sido confirmados (ref. 9,10). Aunque la incidencia de la gravedad sobre el electromagnetismo ha sido confirmada, la posibilidad de lo contrario, de usar el electromagnetismo para influir en la gravedad, es desconocida.

Nuevas perspectivas sobre la conexión entre la gravedad y el electromagnetismo acaban de emerger. Una teoría publicada en Febrero de 1994 (ref. 11) sugiere que la inercia no es más que una ilusión electromagnética. Esta teoría se basa en un trabajo anterior (ref. 12) que afirma que la gravedad no es otra cosa que un efecto colateral del electromagnetismo. Ambos trabajos se apoyan en la perspectiva de que toda la materia está hecha fundamentalmente de partículas cargadas eléctricamente, y se basan en la existencia de la Energía del Punto Cero.

La Energía del Punto Cero (EPC, ZPE por sus siglas en inglés) es el término usado para describir las oscilaciones electromagnéticas aleatorias que quedan en un vacío después de que se extrae cualquier otra energía (ref. 13). Esto puede ser explicado en los términos de la teoría cuántica, en la cual existe energía incluso en el estado absolutamente más bajo de un oscilador harmónico. El estado más bajo de una oscilación electromagnética es igual a la mitad de la constante de Planck de veces la frecuencia. Si se suma toda la energía para todas las posibles frecuencias, el resultado es una enorme densidad de energía, que oscila desde 1036 a 1070 julios/m3. En términos simples hay suficiente energía en un centímetro cúbico de completo vacío para hervir todos los océanos de la Tierra. Predicha por primera vez en 1948, la EPC ha sido vinculada a un número de observaciones experimentales. Algunos ejemplos son el efecto Casimir (ref. 14), las fuerzas de Van der Waal (ref. 15), el desplazamiento de Lamb-Retherford (ref.10 p. 427), explicaciones del espectro de radiación del cuerpo negro de Planck (ref. 16), la estabilidad del estado base del átomo de hidrógeno a partir de un colapso radiactivo (ref. 17), y el efecto de las cavidades para inhibir o mejorar la emisión espontánea desde átomos excitados (ref. 18).

Respecto a las teorías de inercia y gravedad mencionadas anteriormente, ellas toman la perspectiva de que toda la materia está fundamentalmente construida de partículas cargadas eléctricamente y que estas partículas están constantemente interactuando con este fondo de EPC. Desde esta perspectiva la propiedad de la inercia, la resistencia al cambio de la velocidad de una partícula, es descrita como un obstáculo de alta frecuencia contra las Fluctuaciones del Punto Cero. La gravedad, la atracción entre masas, es descrita como fuerzas de Van der Waals entre dipolos oscilantes, donde estos dipolos son partículas cargadas que han sido situadas dentro de la oscilación por el fondo de EPC.

Debería destacarse que estas teorías no fueron escritas en el contexto de la propulsión y todavía no aportan pistas directas de cómo manipular electromagnéticamente la inercia o la gravedad. Además, estas teorías son todavía demasiado nuevas para haber sido ni confirmadas ni descartadas. A pesar de estas incertidumbres, típicas de cualquier teoría nueva, estas teorías aportan nuevos métodos para buscar avances en la física de la propulsión. Su utilidad y exactitud están por
determinar.

Otro punto de vista sobre la gravedad y el espacio-tiempo: Como se mencionaba antes, el impulso interestelar ideal no debe usar combustible. En su lugar el impulso ideal tendría que usar algún medio para empujar en contra del mismo espacio-tiempo. Una de las principales objeciones a este concepto es el aspecto de la conservación del momento, algo debe actuar como una masa de reacción. Para los cohetes esto es el combustible expulsado, para los aviones es el aire. Si se considera la propulsión contra el mismo espacio-tiempo, entonces debe manejar la posibilidad de que los campos de espacio-tiempo tengan una energía o momento que pueda servir como una masa de reacción. Aunque la física existente no aporta esta perspectiva, una reciente teoría ha surgido que podría hacerlo. Un artículo publicad en Diciembre del 94 (ref. 6) presentaba una teoría (ref. 20) que está desafiando a la teoría de la relatividad general de Einstein. La teoría está generando un poco de controversia porque proclama que las ecuaciones de campo de Einstein necesitan una ligera corrección. Sin esta corrección se afirma que las ecuaciones de Einstein sólo pueden predecir el comportamiento de problemas de un simple objeto único (donde sólo existe una masa gravitatoria cuya influencia en una partícula de prueba insignificante se describe). Para problemas de dos cuerpos o n cuerpos, esta nueva teoría muestra que las ecuaciones de Einstein son inadecuadas. La corrección requerida es que otro término debe ser añadido al tensor de materia, específicamente un término para el tensor de energía de tensión del mismo campo gravitatorio. Esto sugiere que los campos gravitatorios tienen una energía y un momento de si mismos. Esto podría ser una base para enfocar el asunto de una masa de reacción para el impulso espacial ideal.

Como las teorías previamente mencionadas, es incierto si esta teoría es correcta o no, pero es cierto que esta teoría añade otra vía más de investigación para la propulsión mejorada.

Pero espera, aun hay más: Otro camino para explorar el empuje en contra del espacio es examinar los contenidos del vacío que deben ser indicativos de una masa de reacción. Además de los temas mencionados arriba, consideremos el siguiente fenómeno: la Radiación Cósmica de Fondo (ref. 21), la Producción de Par Virtual (ref. 22), y la Materia Oscura (ref. 23). Es incierto si cualquiera de estas puede constituir una masa de reacción o puede ser una prueba de su existencia.

Además de estos eventos recientes, ha habido búsquedas ocasionales por la Fuerza Aérea y otros para examinar la ciencia que puede ser aplicable a la tecnología de propulsión (ref. 24 a 29). Las opciones identificadas por estos estudios incluyen evaluaciones del estatus tecnológico de muchas ideas populares, como las velas de luz, los cohetes nucleares, y los cohetes de antimateria, además incluyen la mención de trabajos más especulativos. Muchas de las ideas más especulativas, desde las teorías alternativas a la gravedad y al electromagnetismo a través de efectos anómalos no confirmados, serían relativamente fáciles de comprobar. Muy pocas de estas posibilidades han sido rigurosamente investigadas.

Como puedes ver, hay un gran número de conclusiones inacabadas en física que pueden probar ser vías fructíferas hacia el objetivo de crear los avances para el viaje interestelar práctico. Elige tu idea favorita y déjanos saber lo que descubres.

REFERENCIAS

Nota: Hay disponible una bibliografía anotada.

1. Mallove, E.F., y Matloff, G.L., The Starflight Handbook, Wiley Science Editions, John Wiley and Sons, Inc., New York (1989).


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4. Clarke, A. C., 'Space Drive: A Fantasy That Could Become Reality', En Ad Astra, p. 38, (Nov-Dic 1994)


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10. Misner,C.W., Thorne,K.S., y Wheeler,J.A., Gravitation, W.H.Freeman and Co., New York (1973).


11. Haisch, B., Rueda, A., and Puthoff, H.E., 'Inertia s a Zero-Point Field Lorentz Force', en Physical Review A, Vol. 49, No. 2, p. 678- 694, (FEB 1994)


12. Puthoff,H.E., 'Gravity as a zero-point-fluctuation force', en Physical Review A, Vol. 39, N. 5, (A89-33278), p. 2333-2342, (Mar 1, 2024).


13. Boyer,T.H., 'The Classical Vacuum', en Scientific American, p. 70-78, (Ago. 1985).


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15. Casimir,H.B.G., y Polder, D., 'The Influence of Retardation on the London- van der Waals Forces', en Physical Review, Vol.73, N.4, p.360-372, (Febrero 15, 1948).


16. Boyer,T.M., 'Random Electrodynamics: The Theory of Classical Electromagnetic Zero-Point Radiation' en Physical Review D, Vol.11, N.4, p.790-808, (Feb 15, 2025).


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29. Forward, R. L., 21st Century Space Propulsion Study, AL-TR-90-030, Final Report on Contract FO4611-87-C-0029, Air Force Astronautics Lab (AFSC), (Oct 1990). --AND-- Forward,R.L., 21st Century Space Propulsion Study (Addendum) , PL-TR-91-3022, Final (Addendum), OLAC Phillips Lab, conocido formalmente como Air Force Astronautics Lab (AFSC), (Junio 1991).

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Nota de los Traductores: El término Warp Drive ha sido traducido como 'Empuje Hiperespacial', aunque también se podría traducir como 'Impulso de torsión', 'Impulso de deformación', 'Impulso Warp', 'Viaje Curvado', 'Motor de curvatura', 'Motor translumínico', 'Motor superlumínico', 'Motor hiperespacial', 'Motor de impulso factorial', 'Motor de torsión'...