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¿Cómo se vería realmente una nave espacial?

octubre 8, 2021

Imagina una nave estelar—Una nave capaz de transportar seres humanos de un sistema solar a otro. ¿Tendría alas y cabina? ¿O se vería como un portaaviones arrastrado al vacío y equipado con cohetes que emiten llamas y propulsores de iones brillantes?

La ciencia ficción nos ha ofrecido todo tipo de visiones de naves espaciales interestelares, desde aves de presa klingon de inspiración aviar hasta enormes masas como el cubo Borg. En general, la ciencia ficción se inclina hacia diseños elegantes con líneas tomadas de aviones o automóviles, ya que esos son los tipos de apariencia que hemos sido condicionados a considerar como “rápidos”. Pero si no hay aire en el espacio, ¿por qué hacer que las cosas sean aerodinámicas? ¿Importa cómo se ve una nave espacial?

Sí, resulta, y depende del tipo de viaje espacial que quieras emprender. La realidad del diseño de naves estelares es más compleja que cualquier cosa que Hollywood haya soñado e implantado en nuestra inconsciencia colectiva.

Si bien una misión interestelar tripulada no está exactamente en el próximo calendario de la NASA, los investigadores no han abandonado el tema a la ciencia ficción. De hecho, la iniciativa 100 Year Starship, que comenzó como un concurso financiado por DARPA para sentar las bases de un vuelo a través de las estrellas, reuniendo a físicos, empresarios y cualquier persona seriamente interesada en los viajes espaciales de larga distancia, acaba de terminar su simposio anual este pasado fin de semana.

Uno de los participantes del proyecto 100 Year Starship es Marc G. Millis, fundador de la Fundación Tau Zero. La fundación ha propuesto tecnologías y diseños candidatos, incluida la sonda no tripulada impulsada por fusión Icarus, que aceleraría (teóricamente, por supuesto) a una décima o una quinta parte de la velocidad de la luz. Ícaro, como se imagina actualmente, no es el viaje espacial más elegante. El gigante del tamaño de un rascacielos está compuesto casi en su totalidad por filas y grupos de tanques de combustible esféricos. Pero según Millis, Ícaro no es una predicción definitiva y global de cómo se vería una nave interestelar. Es simplemente el diseño que podría tener sentido construir primero.

Le pedimos a Millis, quien una vez dirigió el Breakthrough Propulsion Physics Project de la NASA, que nos llevara a través de los conceptos básicos del diseño de naves estelares.

Las naves espaciales no son aviones espaciales

Una mirada al diseño de Icarus, o su predecesor, el Daedalus, y queda claro lo que las naves espaciales no necesitan: alas. Las únicas naves espaciales del mundo real que se molestan con las alas son las diseñadas para realizar aterrizajes regulares en pistas, como el transbordador espacial retirado, el próximo Lynx (un biplaza suborbital de XCOR) o el Dream Chaser, una nave orbital en desarrollo. de Sierra Nevada. Y ni siquiera se requieren alas para los aterrizajes. Al igual que la cápsula rusa Soyuz, el Dragon de SpaceX actualmente salpica en el océano (aunque SpaceX planea avanzar hacia aterrizajes en plataformas de lanzamiento propulsadas por cohetes).

Tanto en el futuro a corto como a largo plazo, expertos como Millis imaginan que las naves interestelares no pasarán gran parte de su tiempo en una atmósfera. Quizás las pequeñas naves que transportan a la gente de la superficie a la nave estelar permanecerán aladas, pero los vehículos verdaderamente interestelares pueden desechar la aerodinámica y todos los principios de diseño que están comprometidos con la reducción de la resistencia al viento. Una nave espacial no necesita ser elegante o tener una nariz puntiaguda, incluso la robusta Battlestar Galactica tiene inútilmente forma de avión. En todo caso, las naves Cylon equivalentes en la serie de televisión reiniciada son viajeros interestelares más racionales, con sus brazos delgados y flagrante desprecio por toda la historia aeroespacial centrada en el aire.

Sobreviviendo a Sublight

Predecir cómo se verían las primeras naves estelares no tripuladas es relativamente simple. En el caso de Ícaro, por ejemplo, toda la estructura está dedicada a la propulsión. Es un cohete colosal, aunque extraño, impulsado por fusión.

Millis dice que las primeras naves espaciales que transporten personas, sin embargo, estarán dominadas por las tecnologías que mantienen vivos a esos pasajeros. Considere la gravedad, una necesidad en los vuelos espaciales de larga distancia. En una gravedad cero prolongada, el cuerpo humano se erosiona y pierde densidad ósea y muscular. “Con la física que conocemos, se crea gravedad con una centrífuga gigante, una cabina giratoria, básicamente”, dice Millis. El disco giratorio del Discovery One con destino a Júpiter en 2001: una odisea espacial ilustró bien este concepto, pero Millis dice que para simular mejor la gravedad de la Tierra, la realidad tendría que ser mucho más grande. Cuanto más pequeña es la centrífuga, menos constante es la fuerza centrífuga en el cuerpo de un miembro de la tripulación; en otras palabras, la cabeza se sentirá más liviana que los pies. Además de estar desorientado por el mareo crónico, si el objetivo es recrear la forma en que la sangre circula bajo la influencia de la gravedad, la consistencia es clave.

Discovery One, de 2001: una odisea del espacio

Por supuesto, la humanidad no puede sobrevivir solo con la gravedad. Una nave estelar diseñada para mantener vivos a sus ocupantes durante años, décadas o incluso siglos, requeriría sistemas inauditos en las naves espaciales actuales. Las secciones para cultivos o ganado, por ejemplo, podrían empequeñecer los compartimentos más tradicionales. Y las amplias instalaciones recreativas, con suficiente espacio y recursos para albergar vastos parques interiores, podrían ser cruciales para combatir la crisis existencial de pasar toda una vida apretujada dentro de una nave espacial. Lo que hoy podría parecer ridículo, y un colosal desperdicio de masa, podría convertirse en la característica más definitoria de una nave llena no de astronautas, sino de una franja más amplia de humanidad, incluidos, muy posiblemente, niños nacidos en el camino. De repente, un patio de juegos giratorio gigante que divide en dos su embarcación no es tan mala idea.

El aspecto de su nave espacial también depende mucho de su método de transporte, y todos los métodos propuestos de propulsión interestelar conllevan sus propios problemas. Cualquier cosa que requiera que la nave tenga una superficie masiva, como usar una vela propulsada por los fotones del sol o láseres a bordo, tendría que lidiar con el polvo intergaláctico. No hay mucho material en el espacio, pero incluso las partículas diminutas son un peligro para las naves que se mueven a una fracción significativa de la velocidad de la luz. Esas partículas de polvo podrían atravesar una vela solar; tal vez la tripulación tenga que reemplazar o reparar la vela cuando esté demasiado perforada.

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Ikaros, el proyecto de velas solares de Japón. Crédito: JAXA

Las velas perforadas pueden ser reemplazables, pero todas las naves estelares que se mueven rápidamente deberán preocuparse por el polvo. Olvídese de los diseños de Luciérnaga‘s Serenity o el recipiente epónimo más reciente de Prometeo, con sus perfiles en picada en forma de pájaro y cabinas delanteras de estilo aeronáutico. El riesgo de impactos de polvo probablemente signifique convertir los compartimentos de la tripulación en búnkeres y colocar a las personas y cualquier sistema esencial detrás de capas redundantes de blindaje físico. El resultado parecería feo para los estándares de ciencia ficción más cercanos al Icarus de 2007. Brillo Solar (que no debe confundirse con el concepto de trabajo en progreso), con su escudo solar que lo hace parecer más un paraguas gigante que un ave de presa.

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Cuanto más lo piensas, menos intrínsecamente sexy se vuelve la nave estelar. Incluso Star TrekEl Enterprise es un Ferrari que salta las estrellas en comparación con las monstruosidades industriales que en realidad podrían hacer que el viaje sea sobrevivible, según nuestro conocimiento actual de la física. El dominio del tiempo, el espacio y todo lo demás de la Federación permite a los escritores ignorar los peligros del bombardeo galáctico de rayos cósmicos, utilizando varios tipos de campos de fuerza para protegerse del desastre en contraposición a los cascos asombrosamente gruesos llenos de agua que probablemente haría una nave estelar real. necesitar. Y mientras que los impulsores aparentemente descargan el 100 por ciento de su energía en el empuje, una nave real, sujeta a las leyes de la termodinámica, probablemente estaría llena de una vertiginosa variedad de paneles para irradiar el exceso de calor generado por los sistemas de propulsión.

Incluso si la humanidad logra cambiar la física y aprende a manipular directamente la gravedad, la materia y las propiedades del tiempo y el espacio, dice Millis, “la geometría de la nave dependerá en gran medida de esos avances tecnológicos”. Por ejemplo, las placas productoras de gravedad pueden requerir salas anchas con techos extremadamente bajos, mientras que un campo que genera gravedad en un cilindro largo podría conducir a una nave estelar con forma de rascacielos. Ambos conceptos, dice Millis, “pertenecen al ámbito de la especulación lúdica”, pero cualquiera que sea la forma que adopten esos dispositivos milagrosos, es probable que el resultado final sea más extraño que la ficción.

¿De qué color es tu máquina del tiempo?

Lo más extraño de todo es la nave estelar más rápida que la luz (FTL). Toda su vida, Millis ha estado ejecutando el número de teorías locas de propulsión, incluso en su libro de 2009 Las fronteras de la ciencia de la propulsión, que está tratando de adaptar a una versión más convencional a través de un proyecto de Kickstarter. Desde la década de 1930, dice que la ciencia ficción se ha mantenido obsesionada con conceptos como las unidades warp y el hiperespacio, cuando son las tecnologías que suenan más locas las que realmente podrían realizar los viajes FTL.

Tomemos, por ejemplo, el viejo experimento del bote de jabón: coloque una gota de jabón detrás de un bote de juguete y observe cómo se desliza por la superficie del baño. En 1996, el físico Miguel Alcubierre propuso un motor warp que funciona de la misma manera: no se centra en la nave nocional y su propia propulsión incorporada, sino en la distorsión del espacio-tiempo en una onda propulsora de una nave.

Millis dice que las únicas ecuaciones que apoyan FTL involucran juegos de manos espacio-temporales, como agujeros de gusano o el efecto de deformación de Alcubierre. Y una nave que puede abrirse paso entre las estrellas no es exactamente una “nave estelar” en la forma en que pensamos en ellas. No va rápido, por lo que no hay riesgo real de impactos de polvo explosivo. Por su propia naturaleza, no viaja por períodos muy largos, así que no importa las granjas hidropónicas cavernosas. Incluso podría ser una nave de una sola etapa, diseñada para ser remolcada antes y después de su extraño atajo y casi sin propulsión tradicional propia.

En otras palabras: la embarcación se parece a cualquier cosa, por lo que no hay razón para suponer que se verá como algo que vuela. La nave espacial FTL es más una máquina del tiempo que un cohete, un dispositivo capaz de realizar una física de energía increíblemente alta, ninguna de las cuales implica un empuje termodinámico. Si una nave espacial interestelar subluz tiene todo el atractivo sexual de una planta de energía nuclear, es probable que la versión de clase warp tenga las curvas en picada de 10 Grandes Colisionadores de Hadrones encadenados en cadena.

¿Hecho de la ciencia?

Millis no es el tipo de físico al que hay que cebarse para discutir los impulsos warp y los agujeros de gusano, y teniendo en cuenta que su fundación lleva el nombre de Tau Zero, La novela de 1970 de Poul Anderson sobre una misión de colonización interestelar que salió mal, no descarta el papel de la ciencia ficción en el trabajo de su vida. “Le brinda puntos de partida para imaginarse estas capacidades, imaginarlas y enumerarlas todas”, dice Millis. “Entonces puede destilarlos, extraer cuáles son las preguntas viables. Ahí es donde puede hacer la transición a la investigación científica”.

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Él dice que lo más cerca que Hollywood ha estado de capturar la rareza que no es una nave espacial de un vehículo FTL imaginario es el de 1997. Contacto. Si ha visto la película, sabrá que “vehículo” no es el término correcto; el personaje llama a su dispositivo FTL la “máquina”. Implica tanto una cápsula esférica de un solo asiento como la masa de anillos giratorios superpuestos que la cápsula (con Jodi Foster adentro) …