Si alguna vez has pensado en viajar a otra estrella, hay malas noticias: con la tecnología actual, el viaje duraría miles de años. La sonda Voyager 1, lanzada en 1977, sigue siendo el objeto humano más rápido en el espacio, pero ni siquiera alcanzaría Próxima Centauri en 71.000 años. Para reducir este tiempo a unas pocas décadas, se necesitan enfoques radicalmente distintos.
Uno de los proyectos más ambiciosos es Breakthrough Starshot, que propone enviar una diminuta nave de 2 gramos usando una vela impulsada por láser para alcanzar velocidades relativistas. En un reciente artículo científico, los investigadores C. J. Umrigar y Tyler A. Anderson de la Universidad de Cornell han examinado cuánta energía sería necesaria para lograrlo. Además, identificaron una omisión en un célebre trabajo de Einstein de 1905, lo que ha causado confusión en la literatura sobre este tipo de propulsión.
Los límites de la propulsión convencional
Para moverse en el espacio, los cohetes actuales usan propulsión química, que expulsa gas caliente para generar empuje. Sin embargo, este método tiene un gran inconveniente: la velocidad máxima depende de la cantidad de combustible disponible, y el crecimiento es exponencialmente ineficiente.
Según el estudio, si se intentara alcanzar el 50% de la velocidad de la luz con cohetes químicos convencionales, se necesitaría una cantidad absurda de combustible: 10²¹⁷¹⁵ veces la masa de la nave (un 1 con 21.715 ceros). Esto hace que este método sea completamente inviable para viajes interestelares.
Otra opción sería un cohete fotónico, que convertiría materia directamente en energía en forma de luz. Sin embargo, no existe ninguna tecnología capaz de hacerlo de manera eficiente. Incluso la aniquilación de materia y antimateria, que es el proceso más eficiente conocido, sigue siendo impracticable debido a la dificultad de producir y almacenar antimateria en grandes cantidades.
Está claro que hay que buscar otro método.
¿Cómo funciona un velero láser?
La solución propuesta por Breakthrough Starshot es diferente: usar un láser terrestre para empujar una vela ligera en el espacio. Este concepto se basa en la presión de radiación, un fenómeno en el que la luz ejerce una pequeña fuerza sobre los objetos al reflejarse en ellos.
La nave en cuestión sería una sonda de apenas 2 gramos, equipada con una vela reflectante ultraligera. Un conjunto de láseres en la Tierra emitiría un potente haz de luz concentrado en la vela, impulsándola hasta el 20% de la velocidad de la luz (0,2c) en cuestión de minutos.
Para que este sistema funcione, hay varios barreras a superar:
- Construir una vela ultraligera con alta reflectividad y baja absorción para evitar que se queme.
- Reducir el peso de la nave al mínimo posible, incluyendo cámaras y sistemas de comunicación miniaturizados.
- Mantener el haz de láser enfocado en la nave durante su aceleración inicial.
El estudio no se centra en estos problemas técnicos, sino en la pregunta más fundamental: ¿cuánta energía se necesita para lograrlo?
Dos maneras de calcular la energía
El cálculo de la energía necesaria para impulsar la sonda no es trivial, ya que implica efectos relativistas que alteran la manera en que la luz interactúa con la vela en movimiento. En el estudio, los autores presentan dos derivaciones matemáticas que, sorprendentemente, arrojan resultados diferentes.
Cada derivación responde a una pregunta distinta. La primera calcula la energía recibida por la nave, mientras que la segunda estima la energía total emitida por el láser. Veamos cada una en detalle.
Primera derivación: energía recibida por la nave
Esta derivación parte de la conservación de la energía y el momento. Se asume que la nave, inicialmente en reposo, recibe energía del láser hasta alcanzar la velocidad final deseada.
El resultado obtenido para la energía absorbida por la nave es:
Para velocidades pequeñas, este resultado se reduce a la conocida fórmula no relativista de energía cinética, E = (1/2) m v², lo que confirma su validez en ese límite. Sin embargo, para velocidades cercanas a la de la luz, la energía crece más rápidamente debido a los efectos relativistas.
Segunda derivación: energía emitida por el láser
La segunda derivación parte de un enfoque diferente: analiza la potencia del láser y su relación con la aceleración de la nave. Aquí se tiene en cuenta que, a medida que la nave se aleja, parte de la energía emitida aún no ha llegado a su destino.
El resultado obtenido es:
Lo importante es que este valor es mucho mayor que el de la primera derivación cuando la velocidad se acerca a la de la luz. Esto se debe a que, en un marco realista, el láser emite energía de forma continua y no toda se aprovecha instantáneamente.
¿Cuál es la derivación correcta?
Después de presentar las dos derivaciones, surge la pregunta: ¿cuál es la correcta para estimar la energía que realmente alcanza la nave?
La respuesta es que ambas son correctas, pero responden a preguntas diferentes:
- La primera derivación nos da la energía que la nave efectivamente recibe y que se traduce en su velocidad final. Es la derivación más relevante para calcular los requisitos energéticos del viaje.
- La segunda derivación nos dice cuánta energía debe emitir el láser en total para que la nave alcance su velocidad, considerando que parte de la energía se pierde en el proceso.
El problema es que en algunos estudios previos se ha utilizado la segunda derivación como si representara la energía efectiva de la nave, lo cual ha llevado a sobrestimaciones significativas. A velocidades muy altas, esta diferencia se vuelve aún más marcada, ya que la energía calculada en la segunda derivación crece mucho más rápido que la de la primera.
En conclusión, la primera derivación es la correcta si queremos calcular la energía que realmente aprovecha la nave, y por lo tanto, es la que debe usarse para evaluar la viabilidad del proyecto. La segunda derivación, en cambio, es útil desde el punto de vista de la ingeniería, ya que nos dice cuánta energía debe suministrar el láser para compensar las pérdidas en el proceso de aceleración.
Einstein y un error no mencionado en 1905
El estudio también aborda una confusión en la literatura sobre velas láser, causada en parte por una omisión en el famoso artículo de Einstein de 1905, titulado Zur Elektrodynamik bewegter Körper (Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento).
En ese trabajo, Einstein derivó una ecuación para la frecuencia de la luz reflejada por un espejo en movimiento:
Este resultado es correcto, pero solo en ciertos límites. Lo que Einstein no especificó es que su derivación se basa en la electrodinámica clásica y no toma en cuenta efectos cuánticos ni ciertas condiciones relativistas más generales.
El problema es que esta omisión ha llevado a errores en la literatura científica. Algunos investigadores han aplicado su ecuación de manera incorrecta en el contexto de las velas láser, generando discrepancias en los cálculos de energía y tiempo de viaje.
El nuevo artículo demuestra que la fórmula correcta incluye un factor adicional relacionado con la cuantización de la energía de los fotones. Si bien este factor es pequeño en la mayoría de los casos, puede marcar una diferencia significativa en cálculos precisos para proyectos como Breakthrough Starshot.
Cuánta energía se necesita en la práctica
Si asumimos que una nave de 2 gramos debe alcanzar 0,5c, el cálculo correcto nos da un consumo de energía de aproximadamente 7 × 10¹³ julios o 19 gigavatios-hora.
Esto equivale a la producción total de 19 plantas de energía nuclear operando durante una hora, ero solo para la fase inicial de aceleración. Una vez que la nave alcanza su velocidad final, ya no necesita más energía, ya que continuará viajando por inercia en el vacío del espacio.
En la práctica la conversión de energía eléctrica en luz láser no es 100% eficiente. Se perdería una fracción significativa de la energía en forma de calor y dispersión, lo que incrementaría aún más la demanda energética real.
Referencias
- Umrigar, C. J., & Anderson, T. A. (2025). Energy needed to propel a tiny spacecraft to Proxima Centauri, and, an unstated assumption in Einstein’s 1905 paper. Cornell University. https://arxiv.org/abs/2502.04331v1
Cortesía de Muy Interesante
Dejanos un comentario: