domingo, 25 de octubre de 2009

Naves interestelares propulsadas con agujeros negros.

Louis Crane y Shawn Westmoreland proponen utilizar agujeros negros subatómicos para la propulsión de naves interestelares a velocidades relativistas.

Los métodos mas tradicionales propuestos para el viaje interestelar tienen sus inconvenientes. La propulsión de velas por potentes laseres tiene el inconveniente de que el haz del láser se debilita con la distancia.
La propulsión por antimateria depende de la producción de grandes cantidades de esta, lo cual es muy difícil y costoso, y por ahora no sabemos como mantener aisladas las cantidades requeridas. Se necesitarían diez millones de veces mas energía que para obtener los mismos resultados que con el método propuesto.

Gracias a Stephen Hawking sabemos que los agujeros negros pierden masa, evaporándose mediante la conocida ‘Radiacion Hawking’. Este fenómeno es mas importante cuanto mas pequeño es el agujero negro, así en un agujero negro grande, como el resultante del final del ciclo de una estrella despide poca energía mediante este tipo de radiación, pero en uno de tamaño subatómico, la cantidad de energía emitida es muchísimo mayor. Por lo tanto, menor el tamaño de un agujero negro, mayor la energía emitida y menor la vida de este.

Parte de esta emisión de energía no seria aprovechable, puesto que algo iría en forma de neutrinos que no interaccionan con la materia, y que por lo tanto no se pueden utilizar para proporcionar empuje, y parte en la masa de reposo de partículas.

Estos serian los criterios que debería seguir el agujero negro creado:

1. Tener una vida lo suficientemente larga para hacerlo útil.
2. Tener la suficiente energía para acelerarse a un suficiente porcentaje de c en un tiempo razonable.
3. Ser lo suficientemente pequeño para poder recolectar la energía necesaria para crearlo
4. Ser lo suficientemente grande como para poder concentrar esa energía recolectada en una región para crearlo.
5. Tener una masa comparable a una nave interestelar.

El tamaño de un agujero negro que cumple estos criterios esta alrededor de unos pocos attometros(10^-18 m). Un agujero negro subatómico(ANS) de este rango de tamaño tendría un millón de toneladas y una vida de alrededor de un año a unos pocos siglos.
Para haceros una idea del tamaño, un átomo de helio tiene un radio de alrededor de 30 picometros, y un picometro son un millón de attometros.

Esta serian los artefactos que necesitaríamos para crear una tecnología capaz de utilizar los agujeros negros como forma de propulsión.


El generador de agujeros negros.

La idea es concentrar tanta energía en un sitio de forma que se crease un agujero negro. Esto se haría disparando una multitud de rayos gamma energéticos mediante un sistema láser esférico convergente.
La ventaja de utilizar fotones, es que al ser bosones, no tienen que seguir el Principio de Exclusion de Pauli, por lo que se pueden juntar mas en un sitio.
El láser necesario para algo así, tendría unas 10^10 toneladas(la masa de un asteroide) y debería ser construido cerca del sol. Este láser al menos en principio se podría alimentar con un gigantesco panel solar cerca del sol. Uno de 370 km de lado, a un millón de km del sol tras un año seria capaz de acumular tanta energía como para crear un ANS de 2.2 attometros.


El propulsor.

Es necesario diseñar un método para poder utilizar el ANS para propulsar la nave.

Los requisitos para una nave así serian:
1- Usar la Radiación Hawking para propulsar la nave.
2- Propulsar el ANS a la misma aceleración.
3- Alimentar el ANS para mantener su temperatura.

El Punto 3 no es absolutamente imprescindible, no es necesario alimentar al ANS si tras utilizarlo para su propulsión la nave se desprende de este a la llegada, pero esto seria un grave desperdicio.
Para acelerar la nave seria posible colocar el ANS en el foco de un reflector parabólico sujeto al cuerpo principal de la nave. El ANS emitiría rayos gamma y una mezcla de partículas y antipartículas por lo que no seria simple saber como dar empuje.
Podría usarse un gas electrónico que actuase de reflector para los rayos gamma, también se podría dejar escapar a estos y solo utilizar el impulso de la partículas, aunque esto tendría menos rendimiento. Para mejorar el rendimiento podría crearse una capa de materia que absorba los rayos gamma y los emita en frecuencias ópticas, enfocándolos después.
Una capa de materia que detiene solo los rayos gamma que van hacia la parte delantera de la nave pero que deja escapar los que van hacia atrás crearía una fuerza asimétrica, y por lo tanto empuje.
También podría utilizarse la Radiación Hawking para calentar una sustancia secundaria que podría ser expulsada como gases de escape(como en los cohetes normales y los iónicos), sin embargo esos gases deberían ser expulsados a velocidades relativistas si queremos que el impulso especifico sea alto para el viaje interestelar.

Una forma de cumplir con los requisitos 2 y 3 es sujetar unos cañones de partículas en la parte trasera de la nave y dirigir haces al agujero negro de forma que se le de empuje y se le pueda alimentar.


La planta energética.

Se podría rodear el ANS con un blindaje esférico, de forma que con un motor térmico(o una panel solar que absorba fotones gamma en vez de fotones ópticos, si algo así es posible) sea posible obtener energía eléctrica. Hablamos del orden de petawatts de energía, centenares de veces el consumo mundial actual(0.015 petawatt).

Estos tres artefactos forman un pack, sin el propulsor acercar un ANS cerca de la Tierra para obtener energía no es posible. Sin el generador , tendríamos que tener la suerte de encontrar un ANS primordial.

Pero una industria generadora de ANS no estaría completa sin el cuarto.


El generador autopropulsado.

Lo ideal seria juntar al generador una agrupación de ANS que suministrase energía al láser. Si se pudiese alimenta a estos ANS tendríamos una fuente permanente de mas ANS, la cual funcionaria indefinidamente solo con agua, o polvo, o lo que sea conveniente.
Una civilización con estos cuatro artefactos tendría una fuente inimaginablemente enorme de energía, suficiente como para colonizar la galaxia.

Se pueden presentar dos escenarios, uno en el cual estos ANS no pueden ser alimentados, y otro en el que si.
Incluso si ocurriese lo primero, los viajes interestelares serian viables.

Imaginémonos que queremos viajar a Alpha Centauri, que esta a cuatro años luz. Aceleraríamos a un g hasta la mitad del camino y entonces desaceleraríamos de la misma forma. Considerando la dilatación relativista del tiempo, llegaríamos en 3.5 años desde nuestro (el de los viajeros) punto de vista. Si no pudiésemos alimentar al ANS tendríamos que crear uno cuya vida fuese al menos de 3.5 años, que corresponde con un radio de 0.9 attometros y 606.000 toneladas. Al llegar separaríamos la nave del ANS, puesto que este al evaporarse totalmente emitiría un potente y letal estallido de rayos gamma.
Un ANS de estas dimensiones emitiría 160 petawatt de energía, con los que suponiendo un 10% de rendimiento solo serian necesarios 200 días para acelerar hasta un 10% de c.

Cuanto mas pequeño el ANS, mas energía produce, y por lo tanto es capaz de producir aceleraciones mayores y por lo tanto los viajes durarían menos.

Si un supuesto viaje interestelar a largo plazo a otro sitio quisiese hacerse en 100 años, y no fuesen necesarias aceleraciones tan altas, valdría uno con una vida de 100 años(2.7 attometros, 1.820.000 toneladas, 17 petawatt) , y se alcanzaría el 10% de c tras 15 años, tomando un 10% de rendimiento energético.

Por el contrario si la misión fuese robótica, y por lo tanto se pudiesen soportar aceleraciones brutales, ANS incluso menores que 0.9 attometros darían velocidades relativistas en poco tiempo.

En estos casos, no se ha considerado que en el trayecto al evaporarse el ANS se haría mas pequeño, y por lo tanto al ser mas energético, la aceleración durante el viaje podría aumentar.

Por el contrario si se pudiese alimentar al ANS, el viaje no se vería limitado por la vida de este ,y podrían utilizar agujeros incluso mucho menores de 1 attometro, increíblemente energéticos., consiguiendo velocidades muy altas sin limitación de tiempo, pero habría que suministrar un flujo(que varia según el tamaño de este) que rondaría varios kilos de materia por segundo.

La masa de la nave rondaría un valor cercano a la del ANS, seria por lo tanto una nave bastante grande.
La creación de estos ANS seguramente mejoraría nuestros conocimientos en física, es mas, en el estallido de unos de estos ANS se crearían condiciones de temperatura, cercanas a la escala de Plank, que no seriamos capaces de recrear ni con aceleradores de partículas inimaginablemente mas potentes que los actuales.
Una explosión de este tipo a una AU de distancia no seria peligrosa, menos si esta al otro lado del sol, porque este actuaría de escudo.

Un ANS generaría ondas gravitacionales de frecuencia mas alta que las buscadas por los detectores actuales. Se podrían construir detectores para esta frecuencia de onda gravitacional, y si hay civilizaciones extraterrestres que usan ANS como método de transporte interestelar, podríamos localizarlas,
Además de encontrar posiblemente otras sorpresas.

Articulo original ‘ARE BLACK HOLE STARSHIPS POSSIBLE?’ de Louis Crane y Shawn Westmoreland

11 comentarios:

Wis_Alien dijo...

Una idea muy interesante, pero según me parece a mí, muy costosa. Eso de necesitar un láser del tamaño de un asteroide para crear el agujero negro ínfimo es complicado xDD

Me gustan estas entradas en las que tratas estas ideas futuristas :P

DarkSapiens dijo...

Bueno, actualmente tenemos un láser del tamaño de tres campos de fútbol (mira el vídeo), así que a mí tampoco me parece tan difícil.

Gouki, cuando pensábamos que ya no podía haber formas de propulsión más increíbles, te superas, esto es alucinante :D

Esos agujeros negros podrían servir también de sistema eficientísimo de procesado de residuos, ¿no es así? Creo recordar haber leído algo de este tipo en algún libro sobre física en la ciencia ficción, aunque me parece que era una civilización que vivía en órbita a un agujero negro masivo y la energía la obtenían de la radiación emitida por la materia al caer en él y no por la de Hawking, pero aún así… ;)

Un saludo!

Gouki dijo...

wis.

No importa como de costoso es algo, si el beneficio es mayor que lo que te gastas. Y una fuente de energia que te puede suministrar mil veces el consumo enrgetico actual, te permite estudiar la fisica de las particulas mucho mejor que cualquier acelerador, y te permite el viaje interestelar bien merece la pena.

Algo del tamaño de un asteroide esta fuera de nuestras capacidades actuales, pero no creo que sea ninguna complicacion dentro de un siglo. Construir algo asi cerca del sol no podria hacerse desde la Tierra, necesitariamos un habitat espacial cerca del sol, y algo asi entra dentro del rango de masas de ese laser.

Me alegro, intentare seguir asi.

dark.

El video es espectacular. Realmente creo que vamos a obtener energia de fusion viable por este metodo o el de polywell muchisimo antes de con el ITER.

conocia esa manera, pero hay otra forma de obtener energia de agujeros negros masivos que creo que es mas efectiva.

saludos

Dinorider d'Andoandor dijo...

madremeua!!
ESPECTACULAR
si alguna potencia futura lograra conseguir eso no dudo que podría asegurarse un buen futuro para los suyos.

sólo lograr dar los primeros pasos será una proeza, agujeros negros, el sol, etc... Me late que los chinos querrán llevarse la primera

y usar agujeros blancos para viajes sería menos favorable en costo/beneficio?

Gouki dijo...

Pues la verdad no se mucho sobre agujeros blancos,primero por lo menos tenemos una idea de como crear un agujero negro, uno blanco no se, segundo no se si servirian de la misma forma, y tercero creo que son algo muy teorico por ahora.

saludos

Nathan Petrelli dijo...

Yo hacia tiempo que habia leido articulos sobre la utilizacion de agujeros negros como fuente energetica de gran potencia.

Pero yo queria ir un poco mas alla en el asunto, la funcion que realiza el miniagujero negro es basicamente la de un condensador, acumula cierta cantidad de energia para posteriormente liberarla... iba a decir poco a poco, pero creo que seria mas adecuado decir mucho a mucho.

Lo que me rondaba en la cabeza hacia meses es la posibilidad de alcanzar velocidades superiores a la de la luz.
Para que todo el mundo sepa hacia donde quiero ir a parar hare primero una pequeña introduccion.

El universo, en su estructura interna, es como una red de pesca, pero con mas dimensiones, y las particulas son como unas cuerdecitas cuyos extremos estan fijados a esa red, dichas cuerdas vibran, con diferente frecuencia, es decir con diferentes niveles de energia, representando las diferentes particulas y atomos de la naturaleza.
Esa es desde mi punto de vista, la representacion conceptual mas acertada de la realidad de nuestro universo.

Por otra parte, la imposibilidad de acelerar hasta la velocidad de la luz, que no de viajar, el problema es acelerar, viene dado porque segun la leyes de la relatividad, al acelerar un cuerpo, parte de la energia aportada al cuerpo en cuestion se destina a incrementar su velocidad y otra parte a incrementar su masa. A pequeña escala es imperceptible, pero a medida que nos acercamos a velocidades relativistas cada vez un mayor porcentaje de la energia aplicada al cuerpo va destinada a incrementar su masa y cada vez menos energia se emplea en incrementar su velocidad.

Retomando la idea anterior acerca de la estructura del Universo, podemos asociar la imposibilidad de alcanzar la velocidad de la luz a la oposicion al movimiento que ofrece la propia estructura interna del Universo a las particulas que se mueven a traves de el, por analogia con nuestra realidad a gran escala seria como la friccion del suelo al desplazar una caja. Al acercarnos a velocidades relativistas, como cada vez mayor parte de la energia empleada va destinada a incrementar la masa del cuerpo, a mayor masa mayor oposicion a la aceleracion genera la estructura del Universo, y por ende, cada vez resulta mas dificil acelerar un poco mas, de hecho, como resulta que la tendencia es que la masa aumente al infinito, se genera una oposicion al incremento de la velocidad que tambien tiende al infinito, y a su vez un requerimiento energetico infinito, lo que lo hace imposible alcanzar la velocidad de la luz.

Todo eso forma parte de un estudio teorico que realice hace unos años, pero lo que me rondaba por la cabeza ultimamente es utilizar una fuente de energia tan poderosa como la que se describe en el articulo para conseguir el "desacople inercial", es decir, seguramente la solucion no es intentar acelerar hasta la velocidad de la luz, sino lograr, mediante una tecnologia que obviamente no esta ni remotamente a nuestro alcance actualmente, el desacople inercial del Universo, es decir, que las cuerdecitas de nuestra nave se soltasen temporalmente de nuestro tejido dimensional, y de esa forma eliminar la oposicion al movimiento, y poder viajar sin restriccion a la velocidad a la que se desee ir.

Aunque todavia no he dado con la forma de lograrlo, ni si es realmente posible.
Vosotros que opinais?
Podrias ponerlo como una entrada del blog y que la gente opine.

Gouki dijo...

Pero a pesar de que ocurriese ese desacople, el aumento de masa seguiria, y una masa infinita no es posible.

Te recomiendo que presentes ti idea en el foro en el que participo yo y la mayoria de los que aqui comentan(muchos estudiantes de fisica).

Homoscience

saludos

Nathan Petrelli dijo...

No es asi, en el caso de poderse dar el desacople el aumento de masa no se daria puesto que el hecho de que al intentar aumentar la velocidad cada vez mayor parte de la energia se destine a aumentar la masa es una consecuencia de la ley de la conservacion de la energia, ya que si de la energia que se le aplica al cuerpo solo una pequeña fraccion es aprovechada para el aumento de la velocidad del mismo dada la oposicion de la propia estructura del espacio, la otra parte de la energia consecuentemente se destina al aumento de la masa del cuerpo.
En cambio, si se produce el desacople, la oposicion al aumento de velocidad se elimina, y por lo tanto el 100% de la energia aplicada al cuerpo es destinada al aumento de la velocidad, con lo cual se elimina el problema del aumento de masa y de los infinitos.

彭于晏Sam dijo...
Este comentario ha sido eliminado por un administrador del blog.
Alexander dijo...

Yo no estoy seguro, pero si utilizas el AN como sistema propulsor ¿como lo mantienes confinado en la zona del propulsor? Quiero decir que si no puede estar unido a dicha nave mediante ninguna sugecion este AN ¿no se desprenderia de la nave sin remedio al acelerar?

Saludos

Gouki dijo...

La cuestion es acelerar el AN a la misma velocidad que la nave, creo recordar, que con el msimo haz con el que le alimentabas podrias suministrarle impulso.

La vida ha colonizado cada rincón de la Tierra, ya es hora de ayudarla a colonizar todo el sistema solar.