https://youtube.com/live/MyrzjyzjEwk En ésta charla conversamos sobre la física de los viajes interestelares. Por: Pablo Cuartas Restrepo PhD en Física Profesor Universidad de Antioquia. Amigo Sociedad Julio Garavito para el Estudio de la Astronomía (SJG - Astronomy); Ciudad de Medellín (Distrito Espacial, Especial en Ciencia, Ingeniería, Tecnología, Innovación, Creatividad e Industria Aeroespacial), Departamento de Antioquia, República de Colombia, América del Sur. Nota: Artículo Sugerido complementario a la Charla por el Profesor Pablo Cuartas: https://arxiv.org/pdf/2108.01730.pdf https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ab8225/pdf

1. Viajes Interestelares
Pablo Cuartas Restrepo
pablo.cuartas@udea.edu.co

2. El desafío de los viajes interestelares
“Proporcionad barcos o velas
adaptados a las brisas
celestiales, y habrá algunos
que no temerán incluso a ese
vacío … “
Johannes Kepler.
¿Podrán nuestros descendientes
aventurarse hacia otras
estrellas? ¿Serán nuestros
cohetes capaces de viajar a
otros sistemas planetarios?

3. ¿Por qué es tan difícil viajar a otras estrellas?
Sencillo… ¡Están muy lejos! Apenas en el
siglo XIX pudimos medir sus distancias.
Blaise Pascal se refería a este hecho como
“El silencio eterno del espacio infinito”.

4. Las distancias son enormes
¿Cuánto le toma a una nave alcanzar las
estrellas?
Ejemplo: Pioneer 10, lanzada en marzo de
1972. Le tomó 21 meses llegar a Júpiter. A
esa velocidad le tomaría 115.000 años llegar
a Alpha Centauri.
Actualmente la nave viaja a unos 12 km/s
hacia la región de Aldebaran. Si la estrella no
se moviera, le tomaría más de ¡2 millones de
años llegar hasta allí! Antes pasará a 0.75
a.l. de HIP 117795, una enana naranja, en
90.000 años.

5. Hay un límite de velocidad
Si pudiéramos aumentar las velocidades un
factor ~100.000, los viajes tardarían años.
Un viaje suficientemente acelerado permitiría
viajar a las estrellas en un tiempo razonable.
Procyon se encuentra a 11.4 al. Viajando a
0.99c el viaje medido desde la Tierra tardaría 23
años, pero debido a la dilatación temporal, para
los astronautas dentro de la nave SÓLO
PASARÍAN 3 AÑOS!!!
Pero no podemos acelerar más allá de 300.000
km/s. La Relatividad lo prohíbe.

6. Momento e Inercia relativistas
Recordando la física de coquito... perdón...
de Newton...
La masa de un cuerpo es una medida de
su inercia.
La inercia de un cuerpo está relacionada
con su velocidad por una cantidad que
Newton llamó momento lineal.
Si aumento la velocidad, el momento
aumenta... ¿hasta donde?
El problema surge cuando v ≃ c.
A velocidades relativistas ...
p = mv

7. Una partícula que se mueve cada vez más rápido tiene cada vez más inercia, y es
más difícil cambiar su estado de movimiento (aceleración).
Es como si la masa de la partícula
creciera a medida que se mueve más
rápido!!!
Ojo!!!, “¡es como si!”... la masa de la
partícula no cambia, es su inercia la
que cambia!
Se requeriría un impulso infinito para
alcanzar v = c.
Nada que posea masa puede ser
acelerado hasta la velocidad de la luz.

8. Se requiere energía
Otra limitación es la cantidad de energía
necesaria para los viajes espaciales.
¿Si queremos colonizar? ¡Se requiere enviar
mucha gente! Recordemos que la energía
depende de la masa y la velocidad.
Si vamos a llevar ~5000 personas,
necesitamos acelerar ~108
kg. Si viajamos a
0.1c la energía necesaria sería:
½ mv2
= 4.5 x 1022
J.
¡El consumo mundial de energía ~1020
J/año!

9. ¿Podemos usar nuestros cohetes?
Nuestros cohetes están basados en la tercera ley de
Newton.
Se quema combustible que se expande y es expulsado
por una tobera. La reacción del gas es empujar al cohete.
La velocidad alcanzada por el cohete depende de la
razón entre la masa inicial (mi
) y la masa final después de
quemar el combustible (mf
), y la velocidad de escape de
los gases:

10. Goddard y los cohetes
En 1914 Robert Goddard patentó su
idea de lanzar cohetes de combustible
líquido.
En 1920 publicó su “Método para
alcanzar alturas extremas”.
El 16 de marzo de 1926 lanzó su primer
cohete de combustible líquido, que
alcanzó 12 metros de altura.

11. El padre de la cohetería… Hermann Oberth
En 1923 publicó su libro sobre cohetes en el espacio
interplanetario, que inspiró a muchos a estudiar la cohetería.
Uno de sus lectores sería Wernher von Braun.

12. La guerra ayudó al diseño
En 1942 los nazis probaron el primer misil
balístico diseñado por Wernher von Braun: el V2.
Al final de la guerra, von Braun se rindió ante los
americanos.

13. Los ruso alcanzaron primero el espacio
El 4 de octubre de 1957 la Unión
Soviética lanzó el primer satélite
artificial, el Sputnik 1.

14. Hemos avanzado en la exploración de otros mundos
Hoy nuestros cohetes son lo suficientemente potentes y
veloces para llevar naves de exploración hasta los más
lejanos límites del Sistema Solar.

15. Las limitaciones de los cohetes químicos
Nuestros cohetes funcionan exactamente igual que el de Goddard. ¡Son absolutamente
inútiles para viajar a otras estrellas!
Cohete de una etapa: mi
/mf
~39, los mejores ~15. ¡La clave está en usar varias etapas!
Cada etapa requerirá una razón (mi
/mf
) menor. Son útiles para escapar de la gravedad
terrestre… pero no para viajar a las estrellas.

16. Diseños de naves interestelares
Se requieren sistemas de
potencia diferentes. Hay dos
grupos:
● Diseños convencionales:
Tecnologías que podrían
estar a nuestro alcance, sin
tener en cuenta $$$ o que
todavía no existen.
● Diseños futuristas: Son
teóricamente posibles pero
están mucho más allá de
nuestras capacidades
actuales.

17. Energía nuclear Los cohetes químicos usan combustión
poco eficiente.
Las reacciones nucleares liberan
billones de veces más energía. E=mc2
.
Hay reacciones de fisión, cómo la
división del Uranio: ~0.07% m se
convierte en E.
La fusión es 10 veces más eficiente, el
0,7% m de H que se fusiona en el Sol
se convierte en E.
Sólo hemos logrado fusión con las
explosiones de bombas
termonucleares.

18. Naves interestelares nucleares
● Proyecto Rover (1955-1973): diseño de
motores de hidrógeno quemado por el calor
producido por un reactor nuclear. Tres veces
más velocidad que el Saturno V.
● Proyecto Orión (60’s): Explotar pequeñas
bombas de fusión en intervalos de segundos
a unos 50 m de la popa para empujar una
nave de 1.6 km. Después de explotar 1
millón de pequeñas bombas alcanzaría
Alpha Centauri en 1 siglo.
● Proyecto Daedalus (70’s): Usar Deuterio y
He3
como combustible que se harían
fusionar dentro de un reactor con un rayo de
electrones. La nave podría alcanzar ~0.1c y
el sistema Barnard en 50 años.

19. Motores iónicos
Otra forma de alcanzar velocidades ~c, es
acelerando lenta pero continuamente.
El motor de iones funciona parecido a un tubo
de rayos catódicos. Una fuente de iones
emite partículas constantemente. La reacción
empuja la nave lentamente aumentando su
velocidad. Los motores sólo funcionan en el
vacío del espacio.
La nave Deep Space 1 usó un motor iónico
con éxito en su viaje hacia el cometa Borelli
en 2001.

20. Velas solares
¿Y si usáramos el viento solar como
empuje?
Una enorme y delgada vela reflectora
podría ser empujada por las partículas
cargadas del VS.
Velas de cientos de kilómetros podrían
acelerar naves hasta alcanzar ~0.05c
dentro del Sistema Solar y hasta otras
estrellas.
JAXA ya hizo un ensayo en 2010:
IKAROS, con una vela de 14x14 m.

21. Impulso láser
¿Y si empujamos la vela con luz dirigida? El
viento solar es poco denso y disminuye con
la distancia al Sol.
Un rayo de luz podría empujar
continuamente en la dirección del destino.
El problema nuevamente es la energía
necesaria. Acelerar una nave hasta ~0.5c
durante 2 años necesitaría 1000 veces toda
la energía producida actualmente.
Otro problema… ¿Cómo desacelerar?
Habría que usar combustible finalmente...
https://www.facebook.com/AstronomiaSur/videos/el-proyecto-starshot/1114780448881467/
https://www.amazon.com/Laser-Sailing-Starships-Jeff-Rosa/dp/0716661594

22. Arcas transgeneracionales
Mejor nos vamos despacio… ¿Hibernación?
¿Alargamiento genético de la vida? ¿Arcas con
miles de personas conviviendo mientras se llega
al destino?
La hibernación… no sabemos cómo dormir
durante años. Vida de cientos o miles de años
(???).
En un arca el viaje duraría varias generaciones.
Ninguno de los que salió llegaría al destino
final… sus descendientes podrían perder el
conocimiento y las técnicas necesarias para
colonizar.
https://www.youtube.com/watch?v=7NzuJAYPRZw&app=desktop

23. ¿Cómo usamos la relatividad?
¡Necesitamos el Enterprise! Naves con
velocidades ~c… ¿Mayores?... ¡NO!
Pero la Relatividad ayuda… ¡dilatación
temporal! A medida que la nave se acerca a
“c”, el tiempo de los viajeros empieza a
dilatarse, a pasar más lentamente.
Imaginemos un viaje a Vega...

24. Viajes increíbles En realidad si pudiéramos acelerar
nuestras naves ~c, podríamos ir a
cualquier lugar del Universo en ¡menos
de una vida humana!
Una nave con una aceleración constante
de 1g (¡sería ideal!), podría alcanzar una
estrella a 500 a.l. en sólo ¡12 años!
En 21 años alcanzaría el centro de la
galaxia. En 29 años Andrómeda. Podrían
estar 2 años explorando y luego regresar
a la Tierra ¡5 millones de años en el
futuro!
Nuevamente, el problema es la energía
necesaria.

25. ¿Cohetes de antimateria?
La aniquilación de materia-antimateria
convierte el 100% de la masa en
energía y produce rayos gamma. Un
cohete podría alcanzar ~0.9c con muy
poca materia.
Problema:
¿Cómo guardar antimateria?¿Cómo
producir suficiente? Al año se
producen en los aceleradores ~10-9
g
de antimateria. Producir una ton de AM
requeriría ¡TODA LA ENERGÍA
USADA EN LA HISTORIA DE LA
HUMANIDAD!
https://www.nasa.gov/exploration/home/antimatter_spaceship.html

26. Reactores de hidrógeno
¿Y si recogemos el combustible por el
camino? Cucharones gigantescos recogerían
el H del medio interestelar y lo usarían en un
reactor de fusión.
La nave podría acelerar constantemente.
Problemas: 1 átomo/m3
, la cuchara deberá
medir cientos de kilómetros de diámetro.
Naves del tamaño de “pequeños mundos”. A
velocidades ~c, cada colisión, incluso con
átomos, sería peligrosa.
Nosotros no tenemos la capacidad para este
tipo de viajes… ¿Civilizaciones avanzadas?

27. ¿Podemos rodear el obstáculo?
● Relatividad Especial: Nada con masa puede moverse a “c” dentro del Espacio-Tiempo.
● Relatividad General: Hay atajos para moverse por “fuera” del Espacio-Tiempo cotidiano.

28. El hiperespacio
La materia distorsiona el espacio-tiempo.
Esto significa deformación de las
dimensiones espacio-temporales. Estas
deformaciones podrían crear nuevas
dimensiones: hiperespacio.
Si pudiéramos acceder a estas dimensiones
“ocultas”, podríamos viajar a través de ellas.
Normalmente la deformación es muy
pequeña. Pero hay ciertos lugares...
https://www.worldsciencefestival.com/videos/hidden-dimensions-exploring-hyperspace/

29. Agujeros de gusano y el viaje Warp
Existen regiones donde la
curvatura-distorsión son tan intensas
(agujeros negros), que el ET puede
curvarse sobre sí mismo. El interior de un
agujero de gusano es un hiperespacio.
A nivel cuántico, el ET es un hiperespacio
donde pueden formarse agujeros de
gusano espontáneamente.
Problema: ¡Mantener un AG abierto! Se
requiere una cantidad enorme de energía
“negativa”.
El Enterprise viaja en el hiperespacio.

30. Volviendo a la paradoja de Fermi
Nosotros no podemos hacer viajes interestelares… ¿Podrán ellos? La idea de que ni
nosotros, ni nuestro planeta, somos especiales sugiere que ya alguien debería haber
colonizado la galaxia. ¿Dónde está la evidencia de esta colonización?... He ahí la paradoja.

31. La edad de las civilizaciones
Si las civilizaciones son comunes en el U,
deben haber existido incluso antes que
nosotros.
Había material para formar planetas como el
nuestro al menos 5 Gyr antes que nosotros.
Las primeras civilizaciones debieron existir
por lo menos hace 5 Gyr. ¡Su tecnología nos
llevaría miles de millones de años de
ventaja! Si N ~ 100.000 en toda la historia de
la VL, debería aparecer una civilización
¡CADA 50.000 AÑOS!

32. Las máquinas profundizan la paradoja
Usando robots, una civilización
podría colonizar más rápidamente.
Máquinas autoreplicantes de Von
Newmann.
¡La galaxia debería estar repleta de
máquinas de Von Newmann!
Ese es el argumento de Paul
Tipler… Estamos solos… nadie se
pondrá en contacto con nosotros.
https://futuristech.info/posts/video-self-replicating-machines-and-galactic-supremacy-looking-at-von-neumann-probes

33. Modelos de colonización
Supongamos que una civilización decide
colonizar la galaxia. Depende de su
capacidad tecnológica.
Supongamos que construyen naves
nucleares cómo Daedalus ~0.1c. La
distancia media entre sistemas es ~5 a.l.
Pasarían a otros sistemas en sólo años.
Llegan, se establecen y empiezan una nueva
colonización… Modelo de Coral.
Estableciendo una colonia cada 150 años,
una civilización ocuparía la galaxia en ¡~10
millones de años!
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34. Motivos para colonizar
¿Por qué iniciar una colonización
galáctica?
Pensemos en nosotros y nuestra
necesidad de explorar. Nuestra salida de
África es un modelo de coral.
¿Tendrán los ET el mismo impulso de
salir de su lugar de origen? … Tal vez se
vean obligados por guerras o catástrofes.
Tal vez simplemente enviarían colonos
para preservar la especie (Superman).

35. Una razón puede ser la sobrepoblación
La población humana ha aumentado
exponencialmente durante los últimos cien
años.
La tendencia predice 12 mil M para 2050 y
¡48 mil M en 2150! Actualmente aumenta
~100 M/año. ¡Tendríamos que mover ese
número de personas fuera del planeta! Eso
costaría ~100 veces el PIB de USA.
¿Conquista? depende del nivel tecnológico…
nosotros o ellos.

36. Soluciones a la paradoja de Fermi
1. Estamos solos
Las civilizaciones son
extremadamente raras y nosotros
somos la primera y única en la
galaxia.
2. Las civilizaciones son
comunes, pero no colonizan.
No poseen la tecnología para
hacerlo. No quieren hacerlo. Se
autodestruyen.
3. Están ahí, pero no quieren
mostrarse.

37. Implicaciones para nuestra civilización
Si somos los únicos, la humanidad sería lo más
preciado en el Universo.
Si nadie ha logrado colonizar la galaxia… no tenemos
esperanza.
Si todavía no estamos listos… eso nos deja la
esperanza de seguir avanzando hasta encontrar a los
demás.
Cualquiera de las respuestas significa un punto de
quiebre para nuestra historia. Él lo decía… “si
fuéramos los únicos... sería un gran desperdicio de
espacio”