NAVES ESTELARES
La idea descabellada de ir a la Luna es un ejemplo del gran absurdo al que llevará a los científicos la especialización viciosa […] la proposición parece básicamente imposible.
A. W. BICKERTON, 1926
Con toda probabilidad, la mejor parte de la humanidad nunca perecerá: migrará de un sol a otro a medida que estos mueran. Y por ello no hay final para la vida, el intelecto y la perfección de la humanidad. Su progreso es perenne.
KONSTANTIN E. TSIOLKOVSKI, Padre de la tecnología de los cohetes
Algún día en un futuro lejano viviremos nuestro último día en la Tierra. Llegará un momento, dentro de miles de millones de años, en que el cielo arderá en llamas. El Sol se hinchará en un infierno furioso que llenará el cielo entero, y empequeñecerá a cualquier otro objeto celeste. Cuando la temperatura de la Tierra aumente, los océanos hervirán y se evaporarán, y solo quedará un paisaje abrasado y agostado. Finalmente, las montañas se fundirán y se harán líquidas, y se formarán flujos de lava donde una vez hubo ciudades vibrantes.
Según las leyes de la física, este negro escenario es inevitable. La Tierra morirá en llamas cuando sea consumida por el Sol. Esta es una ley de la física.
Esta calamidad tendrá lugar dentro de los próximos 5000 millones de años. En esa escala de tiempo cósmico, el ascenso y declive de las civilizaciones humanas son tan solo minúsculos vaivenes. Un día tendremos que dejar la Tierra o morir. Entonces, ¿cómo se las arreglará la humanidad, nuestros descendientes, cuando las condiciones en la Tierra se hagan intolerables?
El matemático y filósofo Bertrand Russell se lamentaba en cierta ocasión de «que ningún ardor, ningún heroísmo, ningún pensamiento o sentimiento por intenso que sea, puede conservar una vida más allá de la tumba; que todo el esfuerzo de los tiempos, toda la devoción, toda la inspiración, todo el brillo a pleno sol del genio humano, están destinados a la extinción en la vasta muerte del sistema solar; y el templo entero de los logros del Hombre debe quedar inevitablemente enterrado bajo los restos de un universo en ruinas».[63]
Para mí este es uno de los pasajes más soberbios de la lengua inglesa, pero Russell escribió este pasaje en una era en que los cohetes se consideraban imposibles. Hoy día la perspectiva de tener que dejar la Tierra no es tan improbable. Carl Sagan dijo en cierta ocasión que deberíamos convertirnos en «una especie biplanetaria». La vida en la Tierra es tan preciosa, decía, que deberíamos extendernos a al menos otro planeta habitable en caso de una catástrofe. La Tierra se mueve en medio de una «galería de tiro cósmica» de asteroides, cometas y otros residuos que vagan cerca de la órbita terrestre, y una colisión con cualquiera de ellos podría provocar nuestra desaparición.
El poeta Robert Frost preguntaba si el mundo acabaría en fuego o en hielo. Utilizando las leyes de la física, podemos predecir cómo acabará el mundo en caso de una catástrofe natural.
En una escala de milenios, un peligro para la civilización humana es la llegada de una nueva glaciación. La última época glacial terminó hace 10 000 años. Cuando llegue la próxima, dentro de 10 000 a 20 000 años, es posible que la mayor parte de Norteamérica esté cubierta por más de medio kilómetro de hielo. La civilización humana ha florecido dentro del reciente y minúsculo período interglacial, cuando la Tierra ha estado inusualmente caliente, pero este ciclo no puede durar para siempre.
En el curso de millones de años, los impactos de grandes meteoritos o cometas en la Tierra podrían tener un efecto devastador. El último gran impacto celeste se produjo hace 65 millones de años, cuando un objeto de unos 10 kilómetros de diámetro se estrelló en la península de Yucatán, en México, y abrió un cráter de unos 350 kilómetros de diámetro, lo que acabó con los dinosaurios, que hasta entonces eran la forma de vida dominante en la Tierra. Es probable otra colisión cósmica en esa escala de tiempo.
Dentro de miles de millones de años el Sol se expandirá poco a poco y consumirá a la Tierra. De hecho, calculamos que el Sol aumentará su temperatura en aproximadamente un 10 por ciento durante los próximos 1000 millones de años y abrasará la Tierra. Nuestro planeta se consumirá por completo en 5000 millones de años, cuando nuestro Sol se transforme en una estrella gigante roja. En realidad, la Tierra estará dentro de la atmósfera de nuestro Sol.
Dentro de decenas de miles de millones de años el Sol y la Vía Láctea morirán. Cuando nuestro Sol agote finalmente su combustible hidrógeno/helio, se contraerá en una minúscula estrella enana blanca y poco a poco se enfriará hasta que se convierta en un montón de cenizas nucleares negras vagando por el vacío del espacio. La Vía Láctea chocará con la galaxia vecina, Andrómeda, que es mucho más grande que nuestra galaxia. Los brazos espirales de la Vía Láctea se desgajarán, y nuestro Sol podría ser lanzado al espacio profundo. Los agujeros negros en el centro de las dos galaxias ejecutarán una danza de la muerte antes de colisionar y fusionarse finalmente.
Dado que la humanidad deberá dejar un día el sistema solar y dirigirse hacia estrellas vecinas para sobrevivir, o de lo contrario perecer, la pregunta es: ¿cómo llegaremos allí? El sistema estelar más próximo, Alfa Centauri, está a más de 4 años luz. Los cohetes convencionales con propulsión química, los caballos de arrastre del actual programa espacial, apenas alcanzan 70 000 kilómetros por hora.
A esa velocidad se necesitarían 70 000 años solo para visitar la estrella más próxima.
Si analizamos hoy el programa espacial, hay un enorme vacío entre nuestras pobres capacidades actuales y los requisitos de una auténtica nave estelar que nos permitiera empezar a explorar el espacio. Desde la exploración de la Luna a principios de la década de 1970, nuestro programa espacial tripulado ha enviado astronautas a una órbita a tan solo 500 kilómetros por encima de la Tierra en la lanzadera espacial y en la Estación Espacial Internacional. Para 2010, no obstante, la NASA planea sustituir la lanzadera espacial por la nave espacial Orion, que finalmente llevará de nuevo a los astronautas a la Luna el año 2020, tras un paréntesis de cincuenta años. El plan consiste en establecer una base tripulada y permanente en la Luna. Después de eso podría lanzarse una misión tripulada a Marte.
Obviamente hay que encontrar un nuevo tipo de diseño de cohete si queremos llegar alguna vez a las estrellas. O bien aumentamos radicalmente el empuje de nuestros cohetes, o aumentamos el tiempo durante el que actúan. Un gran cohete químico, por ejemplo, puede tener un empuje de varios millones de kilogramos, pero solo actúa durante unos pocos minutos. Por el contrario, otros diseños de cohetes, tales como el motor iónico (que se describe en los párrafos siguientes), pueden tener un empuje débil pero ser capaces de operar durante años en el espacio exterior. Cuando se trata de cohetes, la tortuga vence a la liebre.
A diferencia de los cohetes químicos, los motores iónicos no producen el chorro repentino y drástico de gases supercalientes que propulsa a los cohetes convencionales. De hecho, su empuje es mucho menor. Colocados sobre una mesa en la Tierra, son demasiado débiles para mover algo. Pero lo que les falta en empuje les sobra en duración, porque pueden actuar durante años en el vacío del espacio exterior.
Un típico motor iónico se parece al interior de un tubo de televisor. Una corriente eléctrica calienta un filamento y crea un haz de átomos ionizados, tales como xenón, que salen disparados por el extremo del cohete. En lugar de ser impulsados por un chorro de gases explosivos y calientes, los motores iónicos son impulsados por un tenue pero continuo flujo de iones.
El impulsor iónico NSTAR de la NASA fue probado en el espacio exterior a bordo de la exitosa sonda Deep Space 1, lanzada en 1998. El motor iónico funcionó durante 678 días, y estableció un nuevo récord para motores iónicos. La Agencia Espacial Europea también ha probado un motor iónico en su sonda Smart 1. La sonda espacial japonesa Hayabusa, que llegó a un asteroide, estaba impulsada por cuatro motores iónicos de xenón. Aunque no tenga mucho atractivo, el motor iónico podrá hacer misiones de largo recorrido (que no sean urgentes) entre planetas. De hecho, los motores iónicos pueden convertirse algún día en los caballos de tiro para el transporte interplanetario.
Una versión más potente del motor iónico es el de plasma, por ejemplo el VASIMR (cohete de magnetoplasma de impulso específico variable), que utiliza un potente chorro de plasma para impulsarse a través del espacio. Diseñado por el astronauta e ingeniero Franklin Chang-Diaz, utiliza radioondas y campos magnéticos para calentar hidrógeno hasta un millón de grados centígrados. El plasma supercaliente es entonces eyectado por el extremo del cohete, lo que produce un empuje importante. Prototipos del motor se han construido ya en tierra, aunque ninguno ha sido enviado todavía al espacio. Algunos ingenieros confían en que el motor de plasma pueda utilizarse para llevar una misión a Marte, reduciendo significativamente el tiempo de viaje a unos pocos meses. Algunos diseños utilizan energía solar para alimentar el plasma en el motor. Otros diseños utilizan fisión nuclear (lo que aumenta los problemas de seguridad, puesto que supone poner grandes cantidades de materiales nucleares en el espacio en naves que pueden sufrir accidentes).
Pero ni el motor iónico ni el motor de plasma/VASIMR tienen potencia suficiente para llevarnos a las estrellas. Para eso necesitamos una serie de diseños de propulsión completamente nuevos. Un serio inconveniente en el diseño de una nave estelar es la extraordinaria cantidad de combustible necesaria para hacer un viaje incluso a la estrella más cercana, y el largo período de tiempo antes de que la nave llegue a su lejano destino.
Una propuesta que puede resolver estos problemas es el velero solar. Explota el hecho de que la luz solar ejerce una presión muy pequeña pero continua que es suficiente para impulsar un enorme velero a través del espacio. La idea de un velero solar es antigua, pues se remonta al gran astrónomo Johannes Kepler en su tratado Somnium, de 1611.
Aunque la física que hay detrás de un velero solar es bastante sencilla, los avances se han centrado en crear realmente un velero solar que pueda enviarse al espacio. En 2004 un cohete japonés desplegó con éxito dos pequeños prototipos de veleros solares en el espacio. En 2005 la Sociedad Planetaria, Cosmos Studios, y la Academia Rusa de Ciencias lanzaron el velero espacial Cosmos 1 desde un submarino en el mar de Barents, pero el cohete Volna que lo transportaba falló y el velero no llegó a su órbita. (Un intento previo con un velero suborbital también había fracasado en 2001). Pero en febrero de 2006 el cohete japonés M-V consiguió poner en órbita un velero solar de 15 metros, si bien la vela no llegó a desplegarse por completo.
Aunque los avances en la tecnología de veleros solares han sido penosamente lentos, sus defensores tienen otra idea que podría llevarlos a las estrellas: construir una enorme batería de láseres en la Luna que pueda disparar intensos haces de luz láser hacia un velero solar y hacerlo llegar a la estrella más próxima. La física de dicho velero solar interplanetario es verdaderamente abrumadora. La propia vela tendría que tener cientos de kilómetros y ser construida por completo en el espacio exterior. Habría que construir miles de potentes láseres en la Luna, cada uno de ellos capaz de funcionar continuamente durante años o décadas. (Se estima que sería necesario disparar láseres que tengan mil veces la potencia total actual del planeta Tierra).
Sobre el papel, un enorme velero ligero podría viajar a la mitad de la velocidad de la luz. Un velero solar semejante tardaría solo unos ocho años en llegar a las estrellas cercanas. La ventaja de tal sistema de propulsión es que podría utilizar la tecnología ya disponible. No habría que descubrir ninguna nueva ley de la física para crear dicho velero solar. Pero hay grandes problemas económicos y técnicos. Los problemas de ingeniería para crear una vela de cientos de kilómetros, impulsada por miles de potentes haces de luz láser colocados en la Luna, son formidables, y requieren una tecnología que podría estar a más de un siglo en el futuro. (Un problema con el velero solar interestelar es el regreso. Habría que crear una segunda batería de haces láser en una luna distante para propulsar el velero de vuelta a la Tierra. O quizá la nave podría rodear a una estrella y utilizarla como una honda para obtener suficiente velocidad para el viaje de regreso. Entonces los láseres en la Luna se utilizarían para decelerar el velero de modo que pudiera aterrizar en la Tierra).
Mi candidato favorito para llevarnos a las estrellas es el motor estatorreactor de fusión. Hay abundancia de hidrógeno en el universo, de modo que un motor estatorreactor podría recoger hidrógeno a medida que viajara por el espacio exterior, lo que le daría una fuente esencialmente inagotable de combustible. Una vez recogido el hidrógeno sería calentado hasta millones de grados, lo bastante caliente para que el hidrógeno se fusionara y liberara la energía de una reacción termonuclear.
El motor estatorreactor de fusión fue propuesto por el físico Robert W. Bussard en 1960, y más tarde popularizado por Carl Sagan. Bussard calculaba que un motor estatorreactor que pesara unas 1000 toneladas podría en teoría mantener un empuje constante de 1 g de fuerza, es decir, comparable a permanecer en la superficie de la Tierra. Si el motor estatorreactor pudiera mantener una aceleración 1 g durante un año, alcanzaría un 77 por ciento de la velocidad de la luz, suficiente para hacer del viaje interestelar una seria posibilidad.
Los requisitos para el motor estatorreactor de fusión son fáciles de calcular. En primer lugar, conocemos la densidad media del hidrógeno a lo largo del universo. También podemos calcular aproximadamente cuánto hidrógeno hay que quemar para alcanzar aceleraciones de 1 g. Este cálculo, a su vez, determina qué tamaño debe tener la «pala» para recoger hidrógeno. Con unas pocas hipótesis razonables, se puede demostrar que se necesitaría una pala de unos 160 kilómetros de diámetro. Aunque crear una pala de este tamaño sería prohibitivo en la Tierra, construirla en el espacio exterior plantea menos problemas debido a la ingravidez.
En principio, el motor estatorreactor podría autopropulsarse indefinidamente y alcanzar finalmente sistemas estelares lejanos en la galaxia. Puesto que el tiempo pasa con lentitud dentro del cohete, según Einstein, sería posible alcanzar distancias astronómicas sin recurrir a poner a la tripulación en animación suspendida. Después de acelerar a 1 g durante once años, según los relojes dentro de la nave estelar, la nave alcanzaría el cúmulo estelar de las Pléyades, que está a 400 años luz. En 23 años llegaría a la galaxia Andrómeda, situada a 2 millones de años luz de la Tierra. En teoría, la nave espacial podría llegar al límite del universo visible dentro del tiempo de vida de un miembro de la tripulación (aunque en la Tierra habrían pasado miles de millones de años).
Una incertidumbre clave es la reacción de fusión. El reactor de fusión ITER, cuya construcción está programada en el sur de Francia, combina dos raras formas de hidrógeno (deuterio y tritio) para extraer energía. En el espacio exterior, sin embargo, la forma más abundante del hidrógeno consiste en un solo protón rodeado por un electrón. Por lo tanto, el motor estatorreactor de fusión tendría que explotar la reacción de fusión protón-protón. Aunque el proceso de fusión deuterio/tritio ha sido estudiado durante décadas por los físicos, el proceso de fusión protón-protón se conoce peor, es más difícil de conseguir y produce menos energía. Por ello, dominar la reacción protón-protón más difícil será un reto técnico en las próximas décadas. (Además, algunos ingenieros han cuestionado que el motor estatorreactor pudiera superar efectos de arrastre cuando se aproximara a la velocidad de la luz).
Hasta que se desarrollen la física y la economía de la fusión protón-protón es difícil hacer estimaciones precisas respecto a la viabilidad del estatorreactor. Pero este diseño está en la corta lista de candidatos posibles para cualquier misión a las estrellas que se contemple.
En 1956 la Comisión de Energía Atómica (AEC) de Estados Unidos empezó a considerar seriamente los cohetes nucleares en el Proyecto Rover. En teoría, se utilizaría un reactor de fisión nuclear para calentar gases como el hidrógeno a temperaturas extremas, y luego esos gases serían expulsados por un extremo del cohete, lo que le daría un impulso.
Debido al riesgo de una explosión en la atmósfera de la Tierra que implicase combustible nuclear tóxico, las primeras versiones de los motores del cohete nuclear se colocaron horizontalmente en vías de tren, donde la actuación del cohete podía registrarse con todo cuidado. El primer motor de cohete nuclear que se probó en el Proyecto Rover, en 1959, fue el Kiwi 1 (un nombre apropiado, pues es el de un ave australiana incapaz de volar). En los años sesenta la NASA se unió a la AEC para crear el motor nuclear para aplicaciones a vehículos a reacción (NERVA), que fue el primer cohete nuclear probado en vertical, y no en horizontal. En 1968 este cohete nuclear fue probado en una posición invertida.
Los resultados de esta investigación han sido confusos. Los cohetes eran muy complicados y con frecuencia no se encendían. Las intensas vibraciones del motor nuclear solían agrietar los depósitos de fuel y hacían que la nave se rompiera. La corrosión debida a la combustión de hidrógeno a altas temperaturas era también un problema persistente. El programa del cohete nuclear fue clausurado finalmente en 1972.
(Estos cohetes atómicos tenían aún otro problema: el riesgo de una reacción nuclear incontrolada, como una pequeña bomba atómica. Aunque las centrales nucleares comerciales utilizan hoy combustible nuclear diluido y no pueden explotar como una bomba de Hiroshima, esos cohetes atómicos operaban con uranio enriquecido para crear el máximo impulso, lo que producía una minúscula detonación nuclear. Cuando el programa del cohete nuclear estaba a punto de ser cancelado, los científicos decidieron realizar una última prueba. Decidieron explotar un cohete, como una pequeña bomba atómica. Retiraron las varillas de control —que mantenían controlada la reacción nuclear—. El reactor se hizo supercrítico y explotó en una violenta bola de fuego. Esta muerte espectacular del programa del cohete nuclear fue incluso grabada en una película. A los rusos no les gustó. Consideraron que esta exhibición era una violación del Tratado de Limitación de Pruebas Nucleares, que prohibía las detonaciones de bombas nucleares no subterráneas).
Durante años el ejército ha revisitado periódicamente el cohete nuclear. Un proyecto secreto fue bautizado como el cohete nuclear Timberwind; era parte del proyecto militar de la guerra de las galaxias en los años ochenta. (Fue abandonado cuando la Federación de Científicos Americanos filtró detalles de su existencia).
Lo que más preocupa del cohete de fisión nuclear es la seguridad. Incluso transcurridos cincuenta años de era espacial, los cohetes lanzadores químicos sufren fallos catastróficos aproximadamente el 1 por ciento de las veces. (Los dos fallos de las lanzaderas espaciales Challenger y Columbia, en las que murieron trágicamente catorce astronautas, fueron otra confirmación de esta tasa de fracasos).
Sin embargo, en los últimos años la NASA ha retomado la investigación en el cohete nuclear por primera vez desde el programa NERVA de los años sesenta. En 2003 la NASA bautizó un nuevo proyecto, Prometheus, con el nombre del dios griego que dio el fuego a los humanos. En 2005 Prometheus fue financiado con 450 millones de dólares, aunque esta financiación fue considerablemente reducida hasta 100 millones en 2006. El futuro del proyecto es incierto.
Otra posibilidad lejana es utilizar una serie de minibombas nucleares para impulsar una nave espacial. En el Proyecto Orion, minibombas atómicas serían expulsadas secuencialmente por la parte trasera del cohete, de modo que la nave espacial «cabalgaría» sobre las ondas de choque creadas por estas minibombas de hidrógeno. Sobre el papel, este diseño podría hacer que una nave espacial alcanzara una velocidad próxima a la de la luz. Concebido originalmente en 1947 por Stanislaw Ulam, que intervino en el diseño de la primera bomba de hidrógeno, la idea fue desarrollada por Ted Taylor (uno de los jefes de diseño de cabezas nucleares para el ejército de Estados Unidos) y el físico Freeman Dyson, del Instituto de Estudios Avanzados en Princeton.
A finales de la década de 1950 y en la década de 1960 se hicieron cálculos detallados para este cohete interestelar. Se calculó que dicha nave espacial podría ir a Plutón y volver en menos de un año, con una velocidad de crucero máxima de un 10 por ciento de la velocidad de la luz. Pero incluso a dicha velocidad tardaría unos cuarenta y cuatro años en llegar a la estrella más próxima. Los científicos han especulado con que un arca espacial impulsada por un cohete semejante tendría que navegar durante siglos, con una tripulación multigeneracional cuya descendencia nacería y pasaría su vida en el arca espacial para que sus descendientes pudieran llegar a las estrellas cercanas.
En 1959 General Atomics publicó un informe que estimaba el tamaño de una nave espacial Orion. La versión más grande, llamada Super Orion, pesaría 8 millones de toneladas, tendría un diámetro de 400 metros y sería impulsada por más de 1000 bombas de hidrógeno.
Pero un problema importante en el proyecto era la posibilidad de contaminación por residuos nucleares durante el lanzamiento. Dyson calculó que las fugas nucleares de cada lanzamiento podrían causar cánceres mortales en diez personas. Además, el pulso electromagnético (EMP) en dicho lanzamiento sería tan grande que podría desencadenar cortocircuitos masivos en los sistemas eléctricos de las cercanías.
La firma del Tratado de Limitación de Pruebas Nucleares en 1965 hizo sonar la campana de muerte del proyecto. Finalmente, el principal impulsor del proyecto, el diseñador de bombas nucleares Ted Taylor, abandonó. (En cierta ocasión me confió que se había desilusionado con el proyecto cuando se dio cuenta de que la física que había tras las minibombas nucleares también podría ser utilizada por terroristas para crear bombas nucleares portátiles. Aunque el proyecto fue cancelado porque se consideró que era demasiado peligroso, su tocayo sigue viviendo en la nave espacial Orion, que la NASA ha escogido para reemplazar la lanzadera espacial en 2010).
El concepto de un cohete nuclear fue rescatado por la Sociedad Interplaneteria Británica de 1975 a 1978 con el Proyecto Daedalus, un estudio preliminar para ver si podía construirse una nave estelar no tripulada que pudiera llegar a la estrella de Barnard, a 5,9 años luz de la Tierra. (Se escogió la estrella de Barnard porque se conjeturaba que podría tener un planeta. Desde entonces las astrónomas Jill Tarter y Margaret Turnbull han compilado una lista de 17 129 estrellas cercanas que podrían tener planetas que albergan vida. El candidato más prometedor es Épsilon Indi A, a 11,8 años luz).
La nave a reacción planeada para el Proyecto Daedalus era tan enorme que habría tenido que construirse en el espacio exterior. Pesaría 54 000 toneladas, casi todo su peso en combustible para el cohete, y podría alcanzar un 7,1 por ciento de la velocidad de la luz con una carga útil de 450 toneladas. A diferencia del Proyecto Orion, que utilizaba minúsculas bombas de fisión, el Proyecto Daedalus utilizaría minibombas de hidrógeno con una mezcla deuterio/helio-3 encendida por haces de electrones. Debido a los formidables problemas técnicos que había que afrontar, así como a las preocupaciones por su sistema de propulsión nuclear, el Proyecto Daedalus también fue aparcado indefinidamente.
Los ingenieros suelen hablar de «impulso específico», que nos permite clasificar la eficiencia de varios diseños de motor. El «impulso específico» se define como el cambio de impulso por unidad de masa de propelente. Aquí, cuanto más eficiente es el motor, menos combustible se necesita para llevar el cohete al espacio. El impulso, a su vez, es el producto de la fuerza por el tiempo durante el que actúa. Los cohetes químicos, aunque tienen un empuje muy grande, solo operan durante unos pocos minutos, y por ello tienen un impulso específico muy bajo. Los motores iónicos, que pueden operar durante años, pueden tener alto impulso específico con muy poco empuje.
El impulso específico se mide en segundos. Un cohete químico típico podría tener un impulso específico de 400-500 segundos. El impulso específico del motor de la lanzadera espacial es 453 segundos. (El mayor impulso específico conseguido por un cohete químico fue 542 segundos, utilizando una mezcla propelente de hidrógeno, litio y flúor). El impulsor del motor iónico Smart 1 tenía un impulso específico de 1640 segundos. Y el cohete nuclear alcanzó impulsos específicos de 850 segundos.
El máximo impulso específico posible sería el de un cohete que pudiera alcanzar la velocidad de la luz. Tendría un impulso específico de aproximadamente 30 millones. La tabla siguiente muestra los impulsos específicos de diferentes tipos de motores de cohetes.
Tipo de motor de cohete → Impulso específico
Cohete de combustible sólido → 250
Cohete de combustible líquido → 450
Motor iónico → 3000
Cohete de plasma VASIMR → 1000 a 30 000
Cohete de fisión nuclear → 800 a 1000
Cohete de fusión nuclear → 2500 a 200 000
Cohete pulsado nuclear → 10 000 a 1 millón
Cohete de antimateria → 1 millón a 10 millones
(En principio, los veleros láser y los estatorreactores, que no contienen propelente, tienen un impulso específico infinito, aunque tienen sus propios problemas).
Una seria objeción a muchos de estos diseños de cohetes es que son tan gigantescos y pesados que nunca podrían construirse en la Tierra. Por esto es por lo que algunos científicos han propuesto construirlos es el espacio exterior, donde la ingravidez haría posible que los astronautas levantaran objetos imposiblemente pesados con facilidad. Pero los críticos señalan hoy los costes prohibitivos del montaje en el espacio exterior. La Estación Espacial Internacional, por ejemplo, requerirá más de un centenar de lanzamientos de lanzadera para completar el montaje, y los costes han ascendido a 100 000 millones de dólares. Es el proyecto científico más caro de la historia. Construir un velero espacial interestelar o una pala estatorreactora en el espacio exterior costaría muchas veces esa cantidad.
Pero, como le gustaba decir al escritor de ciencia ficción Robert Heinlein, si uno puede ir a 160 kilómetros por encima de la superficie de la Tierra, ha hecho la mitad del camino a cualquier parte del sistema solar. Esto se debe a que los 160 primeros kilómetros de cualquier lanzamiento, cuando el cohete luche por escapar de la gravedad de la Tierra, son con mucho los que más cuestan. Después de eso, una nave puede saltar casi hasta Plutón y más allá.
Una manera de reducir costes drásticamente en el futuro sería construir un ascensor espacial. La idea de elevar una cuerda hasta el cielo es vieja, como ilustra el cuento «Juan y la mata de habas», pero podría hacerse realidad si se pudiera enviar la cuerda al espacio. Entonces la fuerza centrífuga de la rotación de la Tierra sería suficiente para neutralizar la fuerza de la gravedad, de modo que la cuerda no caería nunca. La cuerda se mantendría vertical en el aire como por arte de magia y desaparecería entre las nubes. (Pensemos en una bola que gira atada al extremo de una cuerda. La bola parece desafiar a la gravedad porque la fuerza centrífuga la aleja del centro de rotación. De la misma forma, una cuerda se mantendría suspendida en el aire debido a la rotación de la Tierra). No haría falta para sostener la cuerda nada más que la rotación de la Tierra. En teoría, una persona podría trepar por la cuerda y ascender al espacio. A veces ponemos a los estudiantes de licenciatura en la Universidad de Nueva York el problema de calcular la tensión de dicha cuerda. Es fácil demostrar que la tensión de la cuerda sería suficiente para quebrar incluso un cable de acero, que es la razón de que durante mucho tiempo se haya considerado imposible la construcción de un ascensor espacial.
El primer científico que estudió seriamente el ascensor espacial fue el visionario ruso Konstantin Tsiolkovski. En 1895, inspirado por la torre Eiffel, concibió una torre que se elevaría hacia el cielo y conectaría la Tierra con un «castillo celeste» en el espacio. Se construiría de abajo arriba, empezando en la Tierra, y los ingenieros extenderían lentamente el ascensor espacial hasta los cielos.
En 1957 el científico ruso Yuri Artsutanov propuso una nueva solución: que el ascensor espacial se construyera en orden opuesto, de arriba abajo, partiendo del espacio exterior. Concibió un satélite en órbita geoestacionaria a 36 000 kilómetros por encima de la superficie terrestre, donde parecería estar estacionario, desde el que se dejaría caer un cable a la Tierra. Luego el cable se anclaría al suelo. Pero el cable para el ascensor espacial tendría que ser capaz de aguantar una tensión de aproximadamente 60-100 gigapascales. El acero se rompe a unos 2 gigapascales, lo que descarta la idea.
La idea de un ascensor espacial tuvo una acogida mucho más amplia con la publicación en 1979 de la novela de Arthur C. Clarke Fuentes del paraíso, y en 1982 de la novela de Robert Heinlein Viernes. Pero sin ningún progreso adicional, la idea languideció.
La ecuación cambió significativamente cuando los químicos desarrollaron los nanotubos de carbono. El interés en los mismos se despertó de repente gracias al trabajo de Sumio Iijima de Nippon Electric en 1991 (aunque en realidad la evidencia de los nanotubos de carbono se remonta a los años cincuenta, un hecho que fue ignorado en la época). Lo curioso es que los nanotubos son más resistentes que los cables de acero, pero también mucho más ligeros. De hecho, superan la resistencia necesaria para sostener un ascensor espacial. Los científicos creen que una fibra de nanotubos de carbono podría soportar una tensión de 120 gigapascales, que está cómodamente por encima del punto de ruptura. Este descubrimiento ha reavivado los intentos por crear un ascensor espacial.
En 1999 un estudio de la NASA consideraba seriamente el ascensor espacial; concebía una cinta, de aproximadamente 1 metro de ancho y unos 47 000 kilómetros de longitud, capaz de transportar unas 15 toneladas de carga a una órbita en torno a la Tierra. Dicho ascensor espacial podría cambiar la economía del viaje espacial de la noche a la mañana. El coste podría reducirse en un factor de 10 000, un cambio sorprendente y revolucionario.
Actualmente cuesta 20 000 dólares o más poner un kilogramo de material en órbita alrededor de la Tierra (un coste similar al de la misma cantidad de oro). Cada misión de la lanzadera espacial, por ejemplo, cuesta hasta 700 millones de dólares. Un ascensor espacial podría reducir el coste a solo 2 dólares por kilogramo. Una reducción tan radical en el coste del programa espacial podría revolucionar nuestra forma de ver el viaje espacial. Con solo apretar el botón del ascensor espacial se podría subir hasta el espacio exterior por el precio de un billete de avión.
Sin embargo, hay que resolver formidables obstáculos prácticos antes de que sea posible construir un ascensor espacial en el que podamos levitar hasta los cielos. Actualmente las fibras de nanotubos de carbono puro creadas en el laboratorio no tienen más de 15 milímetros de longitud. Para construir un ascensor espacial habría que crear fibras de nanotubos de carbono de miles de kilómetros de longitud. Aunque desde un punto de vista científico esto supone solo un problema técnico, es un problema tenaz y difícil que debe ser resuelto si queremos construir un ascensor espacial. Pero muchos científicos creen que en pocas décadas deberíamos ser capaces de dominar la tecnología para crear largos cables de nanotubos de carbono.
En segundo lugar, impurezas microscópicas en los nanotubos de carbono podrían hacer problemático un cable largo. Nicola Pugno, del Politécnico de Turín, en Italia, estima que basta con que un nanotubo de carbono tenga un solo átomo mal alineado para que su resistencia se reduzca en un 30 por ciento. En general, los defectos a escala atómica podrían reducir la resistencia del cable nanotúbico en un 70 por ciento, lo que la llevaría por debajo del valor mínimo de la tensión necesaria para soportar un ascensor espacial.
Para animar el interés empresarial en el ascensor espacial, la NASA financia dos premios independientes. (Los premios siguen el modelo del premio X Ansari de 10 millones de dólares, que consiguió animar a los inventores emprendedores para crear cohetes comerciales capaces de llevar pasajeros al límite mismo del espacio. El premio X lo ganó Spaceship One en 2004). Los premios que ofrece la NASA se denominan el Beam Power Challenge y el Tether Challenge. En el Beam Power Challenge, los equipos tienen que elevar un dispositivo mecánico que pesa al menos 25 kilogramos por un cable (suspendido de una grúa) hasta una altura de 50 metros y a una velocidad de 1 metro por segundo. Esto puede parecer fácil, pero la clave reside en que el dispositivo no puede utilizar combustible, ni baterías, ni ningún cable eléctrico. En su lugar, el dispositivo robótico debe estar alimentado por paneles solares, reflectores solares, láseres o fuentes de energía de microondas, que son más adecuadas para el uso en el espacio exterior.
En el Tether Challenge, los equipos deben producir cables de 2 metros de longitud que no pueden pesar más de 2 gramos y deben soportar una carga un 50 por ciento mayor que el mejor cable del año anterior. El desafío pretende estimular la investigación para desarrollar materiales muy ligeros y suficientemente resistentes para ser extendidos hasta 100 000 kilómetros en el espacio. Hay premios por valor de 150 000, 40 000 y 10 000 dólares. (Una prueba de la dificultad de afrontar este desafío es que en 2005, el primer año de la competición, el premio quedó desierto).
Aunque un ascensor espacial exitoso podría revolucionar el programa espacial, tales máquinas tienen sus propios riesgos. Por ejemplo, la trayectoria de los satélites próximos a la Tierra cambia constantemente mientras orbitan en torno a la Tierra (debido a que la Tierra rota por debajo de ellos). Esto significa que esos satélites colisionarían eventualmente con el ascensor espacial a 30 000 kilómetros por hora, suficiente para romper el cable. Con el fin de impedir tal catástrofe, o bien habría que diseñar los satélites para incluir pequeños cohetes que les permitieran maniobrar para rodear el ascensor, o bien el cable del ascensor tendría que estar equipado con pequeños cohetes para evitar los satélites de paso.
Las colisiones con micrometeoritos también son un problema, ya que el ascensor espacial está muy por encima de la atmósfera de la Tierra, y nuestra atmósfera normalmente nos protege de los meteoritos. Puesto que las colisiones con micrometeoritos son impredecibles, habría que construir el ascensor espacial con una protección adicional, y quizá incluso sistemas redundantes a prueba de fallos. También podrían surgir problemas de los efectos de pautas climáticas turbulentas en la Tierra, tales como huracanes, olas de marea y tormentas.
Otro medio novedoso de lanzar un objeto a una velocidad próxima a la de la luz es utilizar el efecto «honda». Cuando la NASA lanza sondas espaciales a los planetas exteriores, suele hacer que rodeen un planeta cercano para utilizar el efecto honda y aumentar así su velocidad. La NASA se ahorra mucho combustible valioso de esta manera. Así es cómo la nave espacial Voyager pudo llegar a Neptuno, que está cerca del límite del sistema solar.
El físico de Princeton Freeman Dyson sugirió que en un futuro lejano podríamos encontrar dos estrellas de neutrones que estuvieran dando vueltas una alrededor de la otra a gran velocidad. Acercándonos mucho a una de estas estrellas de neutrones, podríamos girar alrededor de ella y luego ser lanzados al espacio como por un latigazo a velocidades próximas a un tercio de la velocidad de la luz. De hecho, estaríamos utilizando la gravedad para darnos un empujón adicional hasta casi la velocidad de la luz. Sobre el papel, esto podría funcionar.
Otros han propuesto que diéramos la vuelta alrededor de nuestro propio Sol y aprovecháramos el latigazo para acelerar hasta casi la velocidad de la luz. Este método se utilizaba, de hecho, en Star Trek IV: El viaje a casa, cuando la tripulación del Enterprise se montaba en una nave klingon y luego se acercaba al Sol para romper la barrera de la luz y retroceder en el tiempo. En la película Cuando los mundos chocan, en donde la Tierra se ve amenazada por una colisión con un asteroide, los científicos crean una montaña rusa gigante para dejar la Tierra. Una nave a reacción desciende por la montaña rusa, ganando gran velocidad, y luego cambia de dirección en la parte baja de la montaña rusa para salir lanzada al espacio.
Sin embargo, ninguno de estos métodos de utilizar la gravedad para impulsarnos al espacio funcionará. (Debido a la conservación de la energía, al descender por la montaña rusa y volver a subir, acabaríamos con la misma velocidad con la que habíamos empezado, de modo que no hay ninguna ganancia en energía. Análogamente, al girar alrededor del Sol estacionario acabaríamos con la misma velocidad con la que habíamos empezado originalmente). La razón por la que podría funcionar el método de Dyson de utilizar dos estrellas de neutrones es que las estrellas de neutrones giran a gran velocidad. Una nave espacial que utiliza el efecto honda gana su energía del movimiento de un planeta o una estrella. Si estos están estacionarios, no hay ningún efecto honda.
Aunque la propuesta de Dyson podría funcionar, hoy no sirve de ayuda a los científicos confinados en la Tierra, porque necesitaríamos una nave estelar simplemente para visitar estrellas de neutrones en rotación.
Otro ingenioso método de lanzar objetos al espacio a velocidades fantásticas es el cañón de raíles, que Arthur C. Clarke y otros autores han presentado en sus relatos de ciencia ficción, y que también está siendo seriamente examinado como parte del escudo contra misiles guerra de las galaxias.
En lugar de utilizar combustible de cohete o pólvora para impulsar un proyectil a alta velocidad, un cañón de raíles utiliza la fuerza del electromagnetismo.
En su forma más simple, un cañón de raíles consiste en dos cables o raíles paralelos, con un proyectil atravesado sobre ambos cables, en una configuración con forma de U. Incluso Michael Faraday sabía que una corriente eléctrica experimentará una fuerza cuando se coloca en un campo magnético. (De hecho, esto es la base de todos los motores eléctricos). Al enviar millones de amperios de corriente eléctrica por estos cables y a través del proyectil, se crea un enorme campo magnético alrededor de los raíles. Entonces este campo magnético impulsa al proyectil a lo largo de los raíles a velocidades enormes.
Los cañones de raíles han disparado con éxito objetos metálicos a velocidades enormes a distancias extremadamente cortas. Es notable que, en teoría, un simple cañón de raíles sería capaz de disparar un proyectil metálico a 30 000 kilómetros por hora, de modo que entraría en órbita en torno a la Tierra. En principio, toda la flota de cohetes de la NASA podría reemplazarse por cañones de raíles que podrían poner cargas en órbita en torno a la Tierra.
El cañón de raíles tiene una ventaja importante sobre los cohetes químicos y los cañones. En un rifle, la velocidad última a la que los gases en expansión pueden empujar a una bala está limitada por la velocidad de las ondas de choque. Aunque Julio Verne utilizó la pólvora para lanzar astronautas a la Luna en su clásico De la Tierra a la Luna, es fácil calcular que la velocidad última que se puede alcanzar con pólvora es solo una fracción de la velocidad necesaria para enviar a alguien a la Luna. Los cañones de raíles, sin embargo, no están limitados por la velocidad de las ondas de choque.
Pero hay problemas con el cañón de raíles. Acelera tanto a los objetos que estos se suelen achatar al impactar con el aire. Las cargas se deforman seriamente al ser disparadas por el tubo de un cañón de raíles, porque cuando el proyectil choca con el aire es como si chocara con un muro de ladrillo. Además, la enorme aceleración de la carga a lo largo de los raíles es suficiente para deformarlos. Las vías tienen que ser reemplazadas con regularidad debido al daño causado por el proyectil. A esto se añade que las fuerzas g sobre un astronauta serían suficientes para matarlo, pues aplastarían fácilmente todos los huesos de su cuerpo.
Una propuesta es instalar un cañón de raíles en la Luna. Fuera de la atmósfera de la Tierra, el proyectil de un cañón de raíles podría ser acelerado sin esfuerzo a través del vacío del espacio exterior. Pero incluso entonces, las enormes aceleraciones generadas por un cañón de raíles podrían dañar la carga. Los cañones de raíles son en cierto sentido lo contrario de los veleros solares, que alcanzan su velocidad última de una forma suave durante un largo período de tiempo. Los cañones de raíles están limitados porque concentran mucha energía en un espacio muy pequeño.
Cañones de raíles que puedan disparar objetos a estrellas vecinas serían muy caros. Una propuesta es construir uno en el espacio exterior, que se extendería hasta dos tercios de la distancia de la Tierra al Sol. Almacenaría energía solar procedente del Sol y luego descargaría de golpe dicha energía en el cañón de raíles, que lanzaría una carga de 10 toneladas a un tercio de la velocidad de la luz, con una aceleración de 5000 g. Solo las cargas robóticas más resistentes podrían sobrevivir a aceleraciones tan enormes.
Por supuesto, el viaje espacial no es un picnic de domingo. Enormes peligros aguardan a los vuelos tripulados que viajen a Marte o más allá. La vida en la Tierra ha estado protegida durante millones de años: la capa de ozono protege a nuestro planeta de los rayos ultravioletas, su campo magnético la protege contra las llamaradas solares y los rayos cósmicos, y su gruesa atmósfera lo protege contra los meteoritos, que se queman al entrar. Damos por garantizadas las suaves temperaturas y presiones del aire que se dan en la Tierra. Pero en el espacio profundo debemos hacer frente a la realidad de que la mayor parte del universo está en continua agitación, con cinturones de radiación letales y enjambres de meteoritos mortales.
El primer problema a resolver en un largo viaje espacial extendido es el de la ingravidez. Los rusos han realizado estudios sobre los efectos a largo plazo de la ingravidez que han mostrado que el cuerpo pierde minerales y sustancias químicas preciosas en el espacio mucho más rápidamente de lo esperado. Incluso practicando un riguroso programa de ejercicios, al cabo de un año en la estación espacial los huesos y los músculos de los cosmonautas rusos están tan atrofiados que apenas pueden reptar como bebés cuando regresan a la Tierra. Atrofia muscular, deterioro del sistema óseo, menor producción de glóbulos rojos, menor respuesta inmunitaria y un funcionamiento reducido del sistema cardiovascular parecen consecuencias inevitables de una ingravidez prolongada en el espacio.
Las misiones a Marte, que pueden durar de varios meses a un año, llevarán al límite la resistencia de nuestros astronautas. En el caso de misiones a largo plazo a las estrellas próximas, este problema podría ser fatal. Las naves estelares del futuro quizá deban tener un movimiento rotatorio para crear una gravedad artificial mediante fuerzas centrífugas; esa gravedad artificial podría sostener la vida humana. Tal ajuste aumentaría enormemente el coste y la complejidad de las naves espaciales futuras.
En segundo lugar, es posible que la presencia de micrometeoritos en el espacio que viajan a muchas decenas de miles de kilómetros por hora requiera que las naves espaciales estén equipadas con una protección extra. Tras un examen detallado del casco de la lanzadera espacial se han descubierto huellas de varios impactos minúsculos pero potencialmente mortales de minúsculos meteoritos. Es posible que, en el futuro, las naves espaciales tengan que llevar una cámara especial doblemente reforzada para la tripulación.
Los niveles de radiación en el espacio profundo son mucho más altos de lo que antes se pensaba. Durante el ciclo de once años de las manchas solares, por ejemplo, las llamaradas solares pueden enviar enormes cantidades de plasma mortal hacia la Tierra. En el pasado, este fenómeno obligaba a los astronautas en la Estación Espacial Internacional a buscar protección especial contra la andanada potencialmente letal de partículas subatómicas. Los paseos espaciales durante tales erupciones solares serían fatales. (Incluso hacer un sencillo viaje transatlántico desde Los Ángeles a Nueva York, por ejemplo, nos expone a aproximadamente un milirem de radiación por hora de vuelo. En el curso de nuestro viaje estamos expuestos a la radiación de una radiografía dental). En el espacio profundo, donde la atmósfera y el campo magnético de la Tierra ya no nos protegen, la exposición a la radiación podría ser un problema grave.
Una crítica sistemática a los diseños de cohetes que he presentado hasta ahora es que, si pudiéramos construir tales naves estelares, tardarían décadas o siglos en llegar a estrellas vecinas. Una misión semejante tendría que implicar a una tripulación multigeneracional cuyos descendientes llegarían al destino final.
Una solución, propuesta en películas como Alien o El planeta de los simios es que los viajeros espaciales fueran sometidos a animación suspendida; es decir, su temperatura corporal se reduciría cuidadosamente hasta casi el cese de las funciones corporales. Los animales que hibernan hacen esto todos los años durante el invierno. Algunos peces y ranas pueden ser congelados en un bloque de hielo y, pese a todo, revivir cuando la temperatura aumenta.
Los biólogos que han estudiado este curioso fenómeno creen que esos animales tienen la capacidad de crear un «anticongelante» natural que reduce el punto de congelación del agua. Este anticongelante natural consiste en ciertas proteínas en los peces, y glucosa en las ranas. Al regar su sangre con estas proteínas, los peces pueden sobrevivir en el Ártico a unos –2 °C. Las ranas han desarrollado la capacidad de mantener altos niveles de glucosa, con lo que impiden la formación de cristales de hielo. Aunque sus cuerpos estén congelados en su parte exterior, no lo estarán en el interior, lo que permite que sus órganos corporales sigan funcionando, aunque a un ritmo reducido.
Hay, no obstante, problemas para adaptar esta capacidad a los mamíferos. Cuando se congela el tejido humano, empiezan a formarse cristales de hielo dentro de las células. Cuando estos cristales crecen pueden perforar y destruir las paredes de las células. (Quizá los famosos que quieren mantener sus cabezas y sus cuerpos congelados en nitrógeno líquido después de morir quieran pensárselo dos veces).
De todas formas, ha habido avances recientes en animación suspendida limitada en mamíferos que no hibernan de forma natural, tales como ratones y perros. En 2005, científicos de la Universidad de Pittsburgh fueron capaces de resucitar perros después de que su sangre hubiera sido drenada y reemplazada por una solución helada especial. Clínicamente muertos durante tres horas, los perros resucitaron una vez que sus corazones fueron puestos de nuevo en marcha. (Aunque la mayoría de los perros estaban sanos después de este proceso, varios sufrieron alguna lesión cerebral).
Ese mismo año los científicos fueron capaces de colocar ratones en una cámara que contenía ácido sulfhídrico y reducir con éxito su temperatura corporal a 13 °C durante seis horas. El ritmo metabólico de los ratones se redujo en un factor diez. En 2006 médicos del hospital general de Massachusetts, en Boston, colocaron cerdos y ratones en un estado de animación suspendida utilizando sulfhídrico.
En el futuro tales procedimientos pueden salvar la vida de personas implicadas en graves accidentes o que sufran ataques cardíacos, durante los que cada segundo cuenta. La animación suspendida permitiría a los médicos «congelar el tiempo» hasta que los pacientes pudieran ser tratados. Pero podrían pasar décadas o más antes de que tales técnicas puedan ser aplicadas a astronautas humanos, que quizá necesiten estar en animación suspendida durante siglos.
Hay otras maneras en que podríamos llegar a las estrellas gracias a tecnologías más avanzadas y no probadas que bordean la ciencia ficción. Una propuesta prometedora es utilizar sondas no tripuladas basadas en nanotecnología. A lo largo de esta exposición he supuesto que las naves estelares tienen que ser aparatos enormes que consumen cantidades inmensas de energía, capaces de llevar a una gran tripulación de seres humanos a las estrellas, similares a la nave estelar Enterprise en Star Trek.
Pero un camino más probable sería enviar inicialmente sondas espaciales no tripuladas a las estrellas lejanas a velocidades próximas a la de la luz. Como he dicho antes, en el futuro, con nanotecnología, sería posible crear minúsculas cápsulas espaciales que exploten la potencia de las máquinas de tamaño atómico y molecular. Por ejemplo, los iones, puesto que son tan ligeros, pueden ser acelerados fácilmente a velocidades próximas a la de la luz con los voltajes ordinarios que pueden obtenerse en los laboratorios. En lugar de requerir enormes cohetes lanzadores, podrían ser enviados al espacio a velocidades próximas a la de la luz utilizando potentes campos electromagnéticos. Esto significa que si un nanorobot fuera ionizado y colocado dentro de un campo eléctrico, podría ser impulsado sin esfuerzo hasta una velocidad cercana a la de la luz. Entonces el nanorobot seguiría su viaje a las estrellas, puesto que no hay fricción en el espacio. De esta manera, muchos de los problemas que acucian a las grandes naves espaciales se resuelven de inmediato. Naves espaciales nanorrobóticas inteligentes, no tripuladas, podrían alcanzar sistemas estelares vecinos con una pequeña fracción del coste de construir y lanzar una enorme nave espacial que lleve una tripulación humana.
Tales nanonaves podrían utilizarse para llegar a estrellas vecinas o, como ha sugerido Gerald Nordley, un ingeniero astronáutico retirado de la Fuerza Aérea, presionar sobre un velero solar para impulsarlo a través del espacio. Según Nordley: «Si tuviéramos una constelación de cápsulas espaciales del tamaño de una cabeza de alfiler volando en formación y comunicándose entre ellas, podría empujarlas prácticamente con un flash».[64]
Pero hay dificultades con las nanonaves estelares. Podrían ser desviadas por campos eléctricos y magnéticos que encontraran a su paso en el espacio exterior. Para contrarrestar estas fuerzas sería necesario acelerar las nanonaves con voltajes muy altos en la Tierra, de modo que no fueran desviadas con facilidad. En segundo lugar, tendríamos que enviar una enjambre de millones de estas naves estelares nanorrobóticas para garantizar que varias de ellas llegaran realmente a su destino. Enviar un enjambre de naves estelares para explorar las estrellas más cercanas podría parecer extravagante, pero tales naves serían baratas y podrían producirse en masa en miles de millones, de modo que solo una minúscula fracción de ellas tendría que llegar a su blanco.
¿Qué aspecto tendrían estas nanonaves? Dan Goldin, antiguo director de la NASA, concibió una flota de cápsulas espaciales «del tamaño de una lata de Coca-Cola». Otros han hablado de naves estelares del tamaño de agujas. El Pentágono ha considerado la posibilidad de desarrollar «polvo inteligente», partículas del tamaño de motas de polvo que tienen en su interior minúsculos sensores que pueden esparcirse sobre un campo de batalla para dar a los comandantes información en tiempo real. En el futuro es concebible que pudiera enviarse «polvo inteligente» a las estrellas cercanas.
Los nanorobots del tamaño de motas de polvo tendrían circuitos hechos con las mismas técnicas de grabado utilizadas en la industria de semiconductores, que puede crear componentes tan pequeños como 30 nanómetros, o aproximadamente unos 150 átomos de largo. Esos nanorobots podrían ser lanzados desde la Luna mediante cañones de raíles o incluso aceleradores de partículas, que regularmente envían partículas subatómicas a velocidades próximas a la de la luz. Estos aparatos serían tan baratos de hacer que millones de ellos podrían ser lanzados al espacio.
Una vez que alcanzaran un sistema estelar próximo, los nanorobots podrían aterrizar en una luna desolada. Debido a la baja gravedad de la luna, un nanorobot podría aterrizar y despegar con facilidad. Y con un ambiente estable como el que proporcionaría una luna, sería una base de operaciones ideal. Utilizando los minerales encontrados en la luna, el nanorobot podría construir una nanofactoría para crear una potente estación de radio que pudiera enviar información de vuelta a la Tierra. O podría diseñarse la nanofactoría para crear millones de copias de sí misma a fin de explorar el sistema solar y aventurarse en otras estrellas vecinas, repitiendo el proceso. Puesto que estas naves serían robóticas, no habría necesidad de un viaje de regreso a casa una vez que hubiesen enviado por radio su información.
El nanorobot que acabo de describir se suele denominar una sonda de Von Neumann, por el famoso matemático John von Neumann, que desarrolló las matemáticas de las máquinas de Turing autorreplicantes. En principio, tales naves espaciales nanorrobóticas autorreplicantes podrían ser capaces de explorar toda la galaxia, y no solo las estrellas vecinas. Por último podría haber una esfera de billones de estos robots, multiplicándose exponencialmente a medida que crece el tamaño y expandiéndose a una velocidad próxima a la de la luz. Los nanorobots dentro de esta esfera en expansión podrían colonizar toda la galaxia en algunos cientos de miles de años.
Un ingeniero eléctrico que toma muy en serio la idea de las nanonaves es Brian Gilchrist, de la Universidad de Michigan. Recientemente recibió una beca de 500 000 dólares del Instituto de Conceptos Avanzados de la NASA para investigar la idea de construir nanonaves con motores no más grandes que una bacteria. Gilchrist piensa aplicar la misma tecnología de grabado utilizada en la industria de semiconductores para crear una flota de varios millones de nanonaves, que se impulsarían expulsando minúsculas nanopartículas de solo decenas de nanómetros. Estas nanopartículas adquirirían energía al atravesar un campo eléctrico, igual que en un motor iónico. Puesto que cada nanopartícula pesa miles de veces más que un ion, los motores concentrarían un empuje mucho mayor que un motor iónico típico. Así, los motores de la nanonave tendrían las mismas ventajas que un motor iónico, excepto que tendrían mucho más empuje. Gilchrist ya ha empezado a grabar algunas de las partes de estas nanonaves. Hasta ahora puede concentrar 10 000 impulsores individuales en un único chip de silicio que mide 1 centímetro, de lado. Inicialmente planea enviar su flota de nanonaves a través del sistema solar para poner a prueba su eficiencia. Pero con el tiempo estas nanonaves podrían ser parte de la primera flota que llegue a las estrellas.
La de Gilchrist es una de las varias propuestas futuristas que están siendo consideradas por la NASA. Tras varias décadas de inactividad, la NASA ha dedicado recientemente serias reflexiones a varias propuestas para el viaje interestelar, que van desde lo creíble a lo fantástico. Desde principios de los años noventa la NASA alberga el Taller de Investigación de Propulsión Espacial Avanzada, donde estas tecnologías han sido desmenuzadas por equipos de ingenieros y físicos. Más ambicioso incluso es el programa de Física de Propulsión Avanzada, que ha explorado el misterioso mundo de la física cuántica en relación con el viaje interestelar. Aunque no hay consenso, buena parte de su actividad se ha centrado en los pioneros: el velero láser y varias versiones de cohetes de fusión.
Dados los lentos pero continuos avances en el diseño de naves espaciales, es razonable suponer que la primera sonda no tripulada de cualquier tipo podría ser enviada a las estrellas vecinas quizá a finales de este siglo o comienzos del siglo próximo, lo que la convierte en una imposibilidad de clase I.
Pero quizá el diseño más potente para una nave estelar implica el uso de antimateria. Aunque suena a ciencia ficción, la antimateria ya ha sido creada en la Tierra, y algún día puede ofrecer el diseño más prometedor para una nave estelar tripulada.