Breakthrough Starshot: una sonda para viajar a Alfa Centauri en 20 años (o qué es una nanovela láser)

Que todo el mundo comience a hablar de repente sobre velas láser para viajar a las estrellas más cercanas es, por decir algo, raro. Si además el anuncio coincide con el 55º aniversario del primer vuelo espacial tripulado de la historia, pues la cosa es más surrealista todavía. ¿De verdad alguien ha anunciado en serio su intención de realizar un viaje interestelar en unas décadas? Pues sí. Estamos hablando, como no, de la iniciativa Breakthrough Starshot —el nombre mola mucho, eso hay que decirlo—, creada por el millonario y físico ruso Yuri Milner, el cual, me chiva la Wikipedia, ha invertido en casi todas las redes sociales que existen y en alguna que está por aparecer. De paso, su origen me sugiere que no es casualidad el que haya elegido el Día de la Cosmonáutica y el aniversario de la gesta de su tocayo Yuri para presentar la iniciativa.

Una nanovela láser para viajar a Alfa Centauri (Breakthrough Starshot).
Una nanovela láser para viajar a Alfa Centauri (Breakthrough Starshot).

Antes de analizar de qué va todo esto, evidentemente el que la iniciativa cuente con el respaldo de gente como Stephen Hawking y Mark Zuckerberg ha creado una expectación similar a… bueno, a cualquier cosa que sea respaldada por Stephen Hawking y Mark Zuckerberg al mismo tiempo. Breakthrough Starshot no es exactamente un proyecto que quiera crear una sonda interestelar basada en la propulsión láser. Y no lo es porque simplemente no tenemos todavía la tecnología para hacerla realidad. Precisamente, Breakthrough Starshot es un programa que pretende invertir cien millones de dólares durante los próximos años para saber cuáles son las dificultades tecnológicas precisas de tamaña aventura.

¿Y qué es eso de propulsión a base de velas láser? Recapitulemos un poco. Hasta los años 60, para ser exactos, porque las velas láser son tan antiguas como los propios láseres. Poco después de que se inventase un dispositivo capaz de emitir luz coherente allá por 1960, el físico y escritor de ciencia ficción Robert L. Forward propuso usarlo para propulsar una vela solar. El concepto era simple. La presión de radiación de la luz procedente del Sol ejerce un pequeño pero continuo empuje que puede ser usado para mover una vela solar (como la japonesa Ikaros). Esto está bien para viajar por el sistema solar interior, pero el problema de las velas solares de cara al viaje interestelar es, obviamente, que la intensidad de la luz decrece con el cuadrado de la distancia. A pesar de todo, las velas solares son uno de los métodos más prometedores para llevar a cabo un viaje interestelar no tripulado con la tecnología actual. Una sonda que realice una maniobra de asistencia gravitatoria con el Sol puede usar una vela solar durante su paso por el perihelio para acelerar drásticamente aprovechando el efecto Oberth. Por eso no es de extrañar que la NASA o la ESA hayan estudiado conceptos de sondas interestelares que usan velas solares capaces de alcanzar velocidades de 20 UA/año (30 000 millones de kilómetros al año).

Vela solar japonesa Ikaros 1 (JAXA).
Vela solar japonesa Ikaros (JAXA).

Pero volvamos a las velas láser. Forward se dio cuenta de que la relativamente baja dispersión de un haz láser permite iluminar una vela solar continuamente, aumentando su velocidad hasta velocidades compatibles con el viaje interestelar tripulado (un eufemismo para decir que un astronauta puede llegar a su destino antes de morir de viejo). En 1969 el canadiense Philip Norem perfeccionaría el concepto de Forward de nave interestelar propulsada por láser, pero había dos pequeñas pegas que se interponían entre esta brillante idea y la realidad. Una era que la vela láser debería ser increíblemente fina e increíblemente grande para acelerar a velocidades relativistas. Y uso increíble en el sentido literal. Por ejemplo, Norem imaginó una vela láser de 40 kilómetros de diámetro con un espesor de solo 0,3 micras (!) capaz de mantenerse a una temperatura de 1200º C de forma constante sin perder una reflectividad de un 99% en la longitud de onda del láser (si la reflectividad fuera inferior, la temperatura de la vela aumentaría y esta se vaporizaría). Vamos, unas características de ciencia ficción pura y dura.

Robert L. Forward.
Robert L. Forward.

El otro ‘problemilla’ tenía que ver con el láser. Para mandar una nave a otra estrella necesitamos un láser realmente grande, más que nada porque un haz láser también se dispersa con la distancia. Norem calculó que para enviar su nave tripulada a Alfa Centauri necesitaría un láser de luz amarilla de 270 kilómetros de diámetro. Sí, has leído bien. 270 kilómetros, el tamaño de una pequeña luna. En cuanto a la potencia requerida, mejor ni hablamos, pues se estimaba que debía rondar los 10^16 vatios, mucho más de lo que nuestra civilización es capaz de generar. A pesar de todo, el concepto de vela láser se hizo popular en la ciencia ficción y muchos escritores usaron este tipo de naves en sus novelas, como es el caso de la obra de 1975 La paja en el Ojo de Dios, de Larry Niven y Jerry Pournelle.

En los años 70 y 80 aparecieron versiones del concepto original de Forward-Norem que prometían solucionar los inconvenientes originales. Algunos propusieron usar láseres de rayos X para reducir el diámetro del láser (los láseres de rayos X se dispersan menos). Aunque también es cierto que nadie sabía como construir láseres de rayos X de semejante potencia y que estuviesen en funcionamiento durante décadas. Forward también revisó su idea original y en 1984 se le ocurrió una vela láser tripulada más realista. Ahora se usaría una lente Fresnel gigante o ‘paralente’ que flotaría en el espacio a gran distancia del láser. La paralente tendría 50 000 kilómetros de diámetro (!!!) y una masa de 50 000 toneladas. Esta lente focalizaría el haz láser, reduciendo la necesidad de emplear un dispositivo gigante. La propia vela estaría formada por tres ‘etapas’ que permitirían un viaje interestelar de ida y vuelta a las estrellas cercanas. La vela de Forward de 1984 tendría un diámetro de mil kilómetros y un espesor de 16 micras, con una temperatura inferior a los 400º C. No estaba nada mal, pero el láser debía seguir siendo una enorme instalación orbital con una potencia descomunal.

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Vela láser tripulada con tres etapas (Robert Forward/Hughes).

En 1983 el famoso físico Freeman Dyson —padre de la nave Orión que usaba armas nucleares como sistema de propulsión y de las esferas Dyson— sugirió emplear máseres —o sea, láseres de microondas— para permitir que la vela tuviese agujeros y fuese más ligera. Inspirado por Dyson, Forward ideó en 1985 la sonda Starwisp, una vela máser de tan solo 16 gramos con una carga útil de 4 gramos. (Forward pensó que la nanotecnología del siglo XXI permitiría semejantes niveles de miniaturización). Gracias a su pequeño tamaño, Starwisp sería capaz de usar un láser de ‘solo’ 10 o 50 gigavatios y acelerar al 20% de la velocidad de la luz (60 000 km/s) en pocos días (!!). De esta forma, Starwisp llegaría a Alfa Centauri en unos veinte años y usaría la propia vela como antena para transmitir los datos a la Tierra (que tardarían otros 4,4 años en llegar, lógicamente). El concepto Starwisp fue revisado por el científico de la NASA Geoffrey Landis en 2000. De acuerdo con Landis, Starwisp sería ahora una vela de 1 kg (con 80 g de carga útil) y podría alcanzar el 10% de la velocidad de la luz con un láser de 56 gigavatios, por lo que tardaría cuarenta años en llegar a Alfa Centauri.

Concepto Starwisp (Robert L. Forward/Hughes).
Concepto Starwisp (Robert L. Forward/Hughes).

Y, fast forward hacia el presente, llegamos a la iniciativa Breakthrough Starshot que ha sido anunciada hoy. Milner quiere mandar a Alfa Centauri una vela láser de aproximadamente un gramo usando nanotecnología de forma que un simple chip incluya sensores, cámaras, sistemas de navegación y demás cosas de esas que tienen las naves espaciales. Del mismo modo, la vela tendría apenas unas micras de espesor y un tamaño de apenas 4 metros de diámetro. En cuanto al láser, Milner sugiere emplear conjuntos de láseres con una potencia de cien gigavatios y un tamaño del orden de kilómetros que podrían estar situados en zonas alta de la superficie terrestre para ahorrar el coste del traslado al espacio (a cambio de asumir las pérdidas debidas a la atmósfera).

¿Les suena la idea? Pues sí amigos, ¡es Starwisp redivivo! Pero hay diferencias muy importantes. Starshot no sería una única nave, sino que consistiría muchas —quizás cientos o miles— de nanovelas láser aprovechando su baja masa y coste. La flota de nanovelas llegaría a Alfa Centauri en veinte años y usaría el mismo haz láser para enviar los datos de vuelta a casa. Starshot estará dirigido por Pete Worden, antiguo jefe del centro Ames de la NASA y contará con la colaboración, entre otros, de Ann Druyan y del mismísimo Freeman Dyson, entre otros. Milner cree que a partir de esta iniciativa se podrían lanzar nanovelas reales dentro de veinte o treinta años, así que más te vale seguir vivo para 2050 si quieres ver las primeras imágenes de los planetas que puedan existir alrededor de una de las dos estrellas del sistema doble de Alfa Centauri.

Haz de láseres para propulsar las nanovelas (Breakthrough Starshot).
Haz de láseres para propulsar las nanovelas (Breakthrough Starshot).

Pero, ¿cómo de realista es esta iniciativa? Como vemos, poco se ha avanzado desde que Dyson y Forward propusieron el concepto de Starwisp en los años 70. A día de hoy un viaje interestelar de este tipo es inviable sin una inversión astronómica, seguramente muy superior a los cinco mil millones de dólares que estima Milner como coste del proyecto. Dejando la tecnología láser a un lado, nada garantiza que seamos capaces de crear sondas nanotecnológicas que puedan funcionar durante treinta años o más. En definitiva, siguen existiendo muchas incógnitas, pero esperemos que por lo menos Breakthrough Starshot sea capaz de identificar hasta qué punto este proyecto está a nuestro alcance. Lo único que lamento es que Forward ya no esté entre nosotros. Le habría encantado ver a todo el mundo hablando de velas láser.

Vídeo de la iniciativa:

Más info:

  • http://breakthroughinitiatives.org/
  • http://www.geoffreylandis.com/lightsail/lightsail89.html
  • http://orbitalvector.com/Deep%20Space%20Propulsion/Solar%20Sails/Solar%20Sails.htm
  • http://www.scientificamerican.com/article/100-million-plan-will-send-probes-to-the-nearest-star1/
  • http://www.centauri-dreams.org/?p=35402


86 Comentarios

  1. Si el laser lo colocasen en la superficie de la Luna tendría un doble beneficio:
    Necesitaría menos potencia por la ausencia de atmósfera y podría ser utilizado para deorbitado y eliminación de basura espacial.

    1. Ya… Pero para eso habría que llevar TODA LA INFRAESTRUCTURA NECESARIA a la Luna.
      Sería astronómicamente caro con nuestros cohetes químicos.

      1. La infraestructura en el Espacio se construye en el Espacio.
        Ahí tienes el Futuro. Y proyectos como este sirven para fundamentarlo.
        Pensar en “subir todo arriba” es atarse al Siglo XX, así con números romanos 🙂
        Saludos.

  2. Parece que se está poniendo de moda entre los millonarios invertir en proyectos científicos, tecnológicos y del espacio. Pues que dure. 🙂

  3. Hay un “detallito” que nunca se comenta en estas ideas de largos viajes interestelares, supongo que para no desmoralizar completamente al personal ante tamaña empresa. Y es que una cosa es llegar, y otra frenar xD

    Pensemos en el reciente ejemplo de la New Horizons. Para llegar a un lugar tan lejano necesitamos toda la velocidad posible para hacerlo en un plazo razonable, y todo este tema de las velas gira alrededor de conseguir velocidades increíbles. New Horizons tenía que ir tan rápido que sólo pudo hacer un sobrevuelo, un misión para ponerla en órbita habría sido terriblemente más complicada, cara y de mucha más larga duración.

    Ahora me imagino una vela interestelar llegando a Alpha Centauri, y la velocidad a la que llegaría, y os hacéis una idea del percal, ¿no?

    No digo que no sea interesante explorar la posibilidad, pero creo que hay que dejar bien claras nuestras limitaciones, porque la gente habla de “llegar a Alpha Centauri” y parece que piensa que es llegar y ya está, y yo aún no he oído ninguna idea de cómo parar.

    1. bueno, creo que daniel da en su post algun concepto de vela en tres etapas, no solo para llegar y frenar, sino tambien para volver. Por supuesto irrealizable actualmente, pero como concepto e idea, ahi esta.

    2. No piensan parar. La idea del proyecto es mandar lo antes posible una misión interestelar, para lo cual tienen que reducir costes al máximo, lo que implica no parar, usar tecnologías actuales (por tanto, fusión descartada), usar naves lo más pequeñas posible, colocar los láseres en tierra firme en vez de en órbita, etc. O sea, una misión del tipo: dame lo que tengas, que lo quiero para ayer.

      Personalmente, los desafíos de usar una nave tan pequeña me parecen insalvables, al menos en los próximos 20 años, que es lo máximo que quieren tardar.

  4. El articulo de daniel magnifico como siempre.
    Pero bajo mi humilde punto de vista la casa por los cimientos, no por el tejado.Deberiamos centrarnos en un futuro a corto y medio plazo en nuestro Sistema Solar.Y cuando digo corto y medio hablo de los proximos 100-150 años.
    Primero la luna, Marte..quien sabe si ceres y despues Jupiter, Saturno, etc…que parece y lo entrecomillo lo maa cercano a lo que podemos aspirar en los proximos 100 años que no es poco.
    Alfa centauri esta al lado hablando de un universo gigantesco pero para nosotros esta salvo que todo cambie hacia finales del siglo XXII o XXIII.
    Es lo que hay, 40 billones de kms.Una burrada para los seres humanos de hoy.
    Quien sabe, quiza algun dia, año, decada o siglo seamos capaces.No lo descarto, pero en este siglo imposible salvo un descubrimiento revolucionario

  5. Y digo yo, desde la osadía que da la ignorancia, en vez de empeñarnos en darle toda la energía a las naves espaciales desde aquí, cargándolas de combustible químico o nuclear, o enviándoles desde aquí un rayo láser ¿no podría hacer la nave lo mismo que hacen los listísimos burros, pastar por el camino?
    El vacío interplanetario no está del todo vacío. Una vela solar, a partir de la máxima velocidad que le pueda dar la radiación solar, barre mucho volumen. Quizá podría capturar de camino suficiente hidrógeno monoatómico, que es lo que más abunda en el vacío. Combinando estos átomos entre sí se obtienen moléculas de hidrógeno y se libera energía. Si con esta energía se pudiera acelerar la nave, como la vela iría a más velocidad, obtendría aún más hidrógeno. A mitad de camino la nave podría impulsarse por el mismo procedimiento en sentido contrario para frenar y así llegar a una velocidad baja que permita hacer observaciones. Incluso podría volver, arrancando con la radiación de la estrella a la que lleguemos.

  6. 20% de la velocidad de la luz!!!

    Se imaginan la energía que tendría chocar con un solo átomo de hidrógeno a esa velocidad! Ni que decir de alguna roca o basurilla espacial.

  7. Hawking, en estos años, se está apuntando a cualquier chifladura, charla, evento o ágape vario. El respeto que le tenía en los años noventa, se diluyó hace mucho.
    Por otro lado, desde 2016 + 30 se envían + 20 viaje + 4 datos llegan + 2 procesado = 2072. Así en el 2072 veríamos lo que pudiésemos ver de ese sistema planetario (que tal vez sería mucho menos de lo mostrado por los telescopios construidos por entonces en la Tierra). Es decir, puede que toda la fortuna invertida se haya dilapidado en vano.
    El único motivo real para realizar este anuncio en el 55 aniversario de Gagarin es el del marketing: Yuri, Stephen, Mark etc. son como marcas que necesitan de autopromoción.

  8. Recomiendo leer “El mundo de Roche” de precisamente Robert L. Forward. En el desarrolla totalmente los conceptos de vela por fases y algunos más.

    1. Me lei “EL Mundo de Roche” por tu comentario y me ha decepcionado mucho. No sé si me he vuelto muy exigente o si es que me he acostumbrado al estilo de OSC, pero es que los personajes me parecían muy simples.

      Otro libro donde hablan (un poco) de la vela solar es “La paja en el ojo de Dios” (1975) y en su dia me encanto.

  9. Yo tengo una pregunta que quizá sea ingenua y es cómo se estabilizaría la sonda, porque tal como lo veo es como uno de esos huevos que bailan sobre un chorro de agua. Si por cualquier cosa se sale del chorro ¿Cómo podría la sonda recolocarse? ¿O por eso envían muchas?

  10. No termino de comprender como podría hacerse una nave con camara, sensores, bateria y transmisor de un gramo considerando la protección necesaria para la radiación sufrida a velocidades relativistas. Haciendo un estimado que en la actualidad estemos en capacidad de hacerlo en 100 gr. (incluida la vela), implicaria una mejora necesaria en el orden de 2 magnitudes por lo menos.

  11. Lo del escudo antirradiación es lo que veo más complicado, me explico, no es que lo otro no lo sea, pero teniendo en cuenta la miniaturización electrónica, una cámara de ese tamaño por ejemplo no lo veo tan imposible. Si se consiguiera algo del peso ideal, el principio de la vela solar si no me equivoco es en sí correcto.

  12. “Por eso no es de extrañar que la NASA o la ESA hayan estudiado conceptos de sondas interestelares que usan velas solares capaces de alcanzar velocidades de 20 UA/año (30 000 millones de kilómetros al año).”

    Se te ha ido un cero.

  13. La novela de Robert L. Forward de la que habla Marín es El mundo de Roche, gran novela que aconsejo a todos los visitantes del blog.

  14. Y como algo que se mueve en orbotá se puede mantener apuntado a algo del tamaño de una pista de baloncesto que se mueve recto a digámos un áño luz de distancia. Si solucionan cosas como estas estoy de acuerdo en que el retorno de las inversiones sería enorme.

  15. Recomiendo una bateria de celda hiperconductor intel que esta compuesto de nano tubos de vidrio y guarda la enegia convirtiendo electro estatica puede guardar mas de 100000 wahts fue creada por una joven brasilera gano como mejor proyecto de desarrolladores este fue adquirido por intel, yo le haria modificaciones como en vez de vidrio usar grafeno y nano tubos de carbono con iones de yodo todo esto contruido en una minibobina de tesla para aumentar ampherios 100000000wahts, el laser envia la energuia ha un sensor ultra sensible este lo tranforma en corriente y es elevado por la bobina ciento de veces su voltaje lo que no desperdiciaria la energuia enviada por el laser y el laser de aterrizaje aun mayor toda esta energia serviria para el laser de regreso tambiem podria usar la pila nuclear con celdas thermodinamica elevando poca energia ciento millones de veces es mas que suficiente, se necesitaria varios microchips de bajo consumo como de ARM servirian para el poco consumo de energia y el alto procesamiento simple como para tripular la nave con pocas instrucciones de programacion usar unos materiales conductores que usen racionalmente la energia y crear una onda de repelencia gravitatoria para no ser absorvido por la microgravedad de los planetas o soles hasta pequeños meteoritos podrian tener placas de neodimium serian calentadas por el laser se desplegarian ha los costados para enfriase y ser conductible el frio del espacio es enorme.

  16. Una cosilla, de novato en Astrofísica:

    Las velas solares se basan el la fotopropulsión, ¿no? Es decir, en reflejar los fotones de la más alta energía posible para generar un impulso, pequeño pero constante. Y para eso lo mejor es un sistema de generación de fotones coherentes (un láser, un máser o un X-asér). Por ello se habla de montar láseres ARTIFICIALES en la superficie, en la órbita, en la Luna…

    Asimismo, las velas solares pueden (y está demostrado) usarse con el Sol… pero el problema es que la intensidad luminosa decrece con el cuadrado de la distancia (de ahí la idea de usar láseres) puesto que el Sol, al ser esférico, emite fotones en todas direcciones y, cuando te alejas, te llegan menos cada vez (al contrario que un láser, que TODOS los fotones van en la misma dirección desde el orígen). Aún así, los láseres también tienen dispersión y por ello se teorizaba sobre el uso de lentes Fresnel para reenfocar el haz.

    Bien, aquí viene mi idea de panoli astrofísico: ¿no cabría la posibilidad de poner una lente Fresnel de esas (o varias) en ÓRBITA SOLAR y usar el inmenso poder lumínico de nuestra estrella en todas las longitudes de onda para enfocar la vela a grandes distancias?

    Dejamos “caer” la sonda hacia una tangente del Sol desde la Tierra, aprovechando la gravedad y un impulso de motores (químicos o iónicos) para adquirir la mayor velocidad rasante del Sol. NO NOS DESHACEMOS DE LOS COHETES Y DEPÓSITOS VACÍOS, sino que “bajamos” hacia el Astro Rey con la mayor masa posible, ahora diré por qué.

    Damos la vuelta por detrás del Sol, lo más cerca tecnológicamente posible para alcanzar la mayor potencia de asistencia gravitatoria y, justo cuando la asistencia acaba, es decir cuando la gravedad solar deja de acelerarnos y empieza a tirar en sentido contrario, desenganchamos toda la rémora de carga inútil que llevábamos, con lo cual, al perder masa, la nave experimenta una gran aceleración (leí sobre ésta técnica para aprovechar la inmensa gravedad de agujeros negros para generar energía, descargando en ellos grandes masas de basura en el momento de la órbita de asistencia gravitatoria, con lo que la gabarra volvía con muchísima más velocidad y se aprovechaba ese extra de energía).

    Justo en ese momento, la cápsula que ha quedado libre empieza a soltar decenas o cientos de nanovelas, que serían impulsadas por el mismo Sol desde muy cerca (suponiendo que puedan resistir las condiciones) y se acelerarían muy eficientemente. Y, una vez que la intensidad de la luz solar empezase a decrecer hasta un valor crítico, entonces AHÍ entrarían las Fresnel solares, reenfocando una gran parte del potencial fotopropulsor del Sol sobre las nanovelas, acelerándolas hacia su destino… sin instalaciones en la Tierra, excepto un láser enfocado para dar energía a la nanoelectrónica de a bordo y para reflejar los datos de vuelta (o no).

    Por cierto, ¿qué tamaño debería tener una vela fotónica eficiente para acelerar hasta 60.000km/s un artilugio del tamaño y peso de un Smartphone?

    Y, tengo entendido que se pueden usar los campos magnéticos también para acelerar velas solares, con lo cual un sistema híbrido o por etapas sería útil…

    Gracias, y perdonad el tocho.

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Por Daniel Marín
Publicado el ⌚ 12 abril, 2016
Categoría(s): ✓ Astronáutica