Una nueva tecnología reduce a meses la duración del viaje a Marte

La física del plasma es útil porque esconde la posibilidad de la fusión nuclear, la fuente de energía limpia y virtualmente inagotable. Pero ahora también es útil porque una física iraní-estadounidense ha descubierto en ella la base de una nueva tecnología de propulsión espacial. Una tecnología que nos pone Marte mucho más cerca.

Como en cierta ocasión dijo el comandante Joseph Cooper, “la única forma que conocen los humanos de llegar a alguna parte es dejando algo atrás» (Interstellar, gracias, hermanos Nolan).

Una forma bella y poética de expresar la tercera ley de Newton, ¿verdad? El principio de acción y reacción o, equivalentemente, el principio de conservación de la cantidad de movimiento (momento lineal). Este segundo, al contrario que el primero, aún vigente en la física contemporánea. El concepto de fuerza ya no existe ni en la física relativista ni en la física cuántica. En fin, ya no es un pilar conceptual de ninguna de ellas, aunque a veces sigua siendo útil como andamio de pensamiento (ese discreto y persistente encanto de Newton).

En efecto, comandante Cooper, hasta la fecha esa es la base de cuanta tecnología de propulsión tenemos. Lanzar cosas hacia atrás, para conseguir ir hacia delante.

O bien… ¡démosle la vuelta!: allí donde veamos que algo sale disparado, cabe preguntarnos si no intervendrá un principio de propulsión ya existente o, quizás, nuevo.

Y eso fue lo que ocurrió.

Fatima Ebrahimi, la física iraní-estadounidense del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) perteneciente al Departamento de Energía de EE. UU. y autora única del estudio, así lo cuenta en un comunicado:

«Estuve cocinando este concepto por un tiempo. (…) Tuve la idea en 2017 mientras estaba sentada en una terraza y pensaba en las similitudes entre el escape de un automóvil y las partículas de escape de alta velocidad creadas por el Experimento Nacional de Toro Esférico (NSTX) de PPPL. (…) Durante su funcionamiento, este tokamak produce burbujas magnéticas llamadas plasmoides que se mueven a unos 20 kilómetros por segundo, lo que se me asemejó mucho a un medio de propulsión”. (Véase el apartado final, “Referencias”).

Y este fenómeno es el resultado de un proceso físico llamado reconexión magnética.

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Tokamak, reconexión magnética, plasmoides… ¿¡pero qué demonios!?

TokamakEn efecto, lo que en un tokamak es un efecto parásito, fue visto por Fatima como el fundamento de una nueva tecnología de propulsión. (¿A que hay algo en esto de aquellos cultivos de bacterias estropeados con los que accidentalmente se topó Alexander Fleming?).

Los tokamaks son máquinas en las que, mediante la aplicación de campos magnéticos, se consigue controlar plasma confinándolo en chorros con forma de toro o dónut. Se utilizan para experimentos varios y, muy especialmente, para intentar conseguir que en ese plasma, suficientemente caliente y suficientemente comprimido, se produzca de forma estable la tan buscada fusión nuclear. La reacción que da vida al Sol y, por tanto, a todo cuanto vive a nuestros ojos, nosotros incluidos. Es el origen de la práctica totalidad de energía disponible en la Tierra y, muy particularmente, de toda la energía que entra en la cadena trófica vía los organismos fotosintéticos (bueno, bueno, no seamos tan tajantes, puede que haya alguna excepción…).

Ahí el gran interés de estudiar la física del plasma. Al que ahora se le suma, que esa física ha permitido formular la que podría ser una excelente y netamente nueva tecnología de propulsión. Para… ir a Marte, por ejemplo. En mucho menos tiempo y, por tanto, sometiendo a los astronautas a una mucho menor dosis de radiación (uno de los grandes problemas de los viajes espaciales de largo recorrido).

Reconexión magnética

Decir que su fundamento físico es el proceso de “reconexión magnética” y ya está, es un poco como decir que está se basa en el abracadabra y quedarnos tan contentos. Abramos el abracadabra.

La reconexión magnética no es un proceso sencillo. Nada en la física del plasma lo es. Constituye el cuarto estado de la materia (sólido, líquido, gaseoso y… plasma). Un gas a tan altas temperaturas que los átomos neutros que lo constituyen se han roto en partes que ya no son eléctricamente neutras. Una sopa de electrones e iones positivos que, como tales, interactúan unos con otros (todos con todos) por medio de fuerzas electromagnéticas de largo alcance. Por tanto, la física del plasma es la física de una muy compleja coreografía.

En los plasmas tenemos partículas con carga positiva y con carga negativa moviéndose a alta velocidad, así como un campo electromagnético (que es uno, pero doble, eléctrico y magnético). Y unas y otro conforman una misma realidad. Las partículas en movimiento crean el campo y, a su vez, el campo modela el movimiento de las partículas.

Lo que se ha observado es que, en determinadas circunstancias, líneas opuestas del campo magnético se pueden fundir (“cambiando la topología del campo”, en la jerga de los físicos del plasma), con el resultado de una disminución en la cantidad de energía almacenada en el campo que, por tanto, es cedida a las partículas en forma de energía cinética. Ahí la propulsión.

Pero esto es todavía una forma muy abstracta de verlo. Pensémoslo ahora desde el punto de vista de las partículas:

Estas se mueven formando corros autónomos, autoalimentados en su movimiento por el campo que ellas mismas producen, y que interactúan con otros corros similares. Y la cuestión es que, bajo ciertas circunstancias, puede suceder que dos o más de esos corros se fundan entre sí, o que uno se desgaje en varios. De nuevo, como resultado, tenemos una disminución de la energía potencial almacenada por todos los corros en virtud de su interacción electromagnética que, por tanto, pasa a estar disponible como energía cinética. Y hete ahí que uno de los corros sale disparado de la pista de baile.

Hemos reformulado la seria física del plasma por la no tan seria física de la coreografía conjunta de corros de baile (dominios magnéticos) autosustentados e interactuantes entre sí.

Ahora veámoslo con nuestros ojos.

Las Eyecciones de Masa Coronal del Sol

(Sí, sí… no me olvido que aún no hemos hablado de los plasmoides.)

La generación de burbujas magnéticas (plasmoides) no es algo que solo suceda en los tokamaks. También se produce en el Sol, dando lugar a las temibles eyecciones de masa coronal (CMEs, por sus siglas en inglés).

En su producción opera el mismo proceso de reconexión magnética del que ya hemos hablado. Y si lo desea, puede verlo usted en este vídeo de dos minutos escasos.

En él la NASA nos explica la diferencia entre llamaradas solares y eyecciones de masa solar. O bien, si lo prefiere, vaya usted al minuto 1:37 en donde encontrará, seguidas, dos buenas secuencias filmadas de CMEs. Y tenga presente que el Sol es más de un millón de veces más grande que la Tierra y, así las cosas, en cualquiera de esas dos eyecciones caben varias decenas de Tierras. Es mejor que no nos crucemos en su camino.

Eso que expele el Sol, eso son los plasmoides. Grumos de plasma en movimiento cerrado, confinado por su propio campo magnético (también cerrado). O bien… uno de los corros de baile de la coreografía del plasma (fluido magnetohidrodinámico) de los que antes hablamos.

Conclusión

Fatima Ebrahimi ha concebido una nueva forma de propulsión que usa las interacciones magnéticas del plasma. Ya existen en actualidad motores de propulsión de plasma, pero se basan en campos eléctricos y ofrecen muy poca propulsión. En las simulaciones por ordenador hechas por Fatima se consiguen impulsos 10 veces mayores (velocidades de plasmoide de entre 20 y 500 km/s). Y, además, su diseño permite controlar esa potencia modulando el campo magnético. La caña.

Gracias a esto, podría ser que el viaje a Marte de más de un año se redujese en tan solo unos pocos meses. Como Fatima dice: “¡El siguiente paso es construir un prototipo!”.

Los fluidos son cosa compleja. Ya hablamos de ellos en el artículo sobre ventilación anti COVID 19, que ilustramos con un precioso vídeo de la evolución de las concentraciones de CO₂ en una estancia, obtenido mediante simulación computacional. Y, sin duda, volveremos a hablar de ellos.

Ahora bien, comandante Cooper, espero que no crea que su principio de que “la única forma que conocen los humanos de llegar a alguna parte es dejando algo atrás” aplica también al universo de lo social.

Nos podría llevar a dar por inexorable el principio que mueve a los arribistas organizacionales (subir a base de hacer descender a algunos de los que les rodean), a la geopolítica de la desigualdad (subir en progreso unas naciones a costa de hacer descender en progreso a otras) o a la confrontación progreso vs. medioambiente (ascender en progreso a costa de destruir nuestro entorno). Ello significaría que eso que llamamos “desarrollo sostenible” no existe.

Pero no creo que suceda tal cosa, Sr. Cooper. El universo humano es mucho más complejo que el universo físico. Y si los iones de un plasma son capaces de configurar su propio campo magnético, cuánto más no podremos hacer los humanos, infinitamente más complejos que el más complejo de los plasmas.

Referencia

An Alfvenic reconnecting plasmoid thruster.  Fatima Ebrahimi. Journal of Plasma Physics, Volume 86 , Issue 6 , December 2020 , 905860614. DOI:https://doi.org/10.1017/S0022377820001476

Foto superior: Fatima Ebrahimi, frente a una representación artística de un cohete de fusión. Foto de Elle Starkman, Oficina de Comunicaciones de PPPL e ITER)