Una Estrella de la Muerte sin Ciencia Ficción

La Estrella de la Muerte es un arma colosal, del tamaño de una luna entera. Con un disparo a quemarropa contra el indefenso planeta Alderaan, patria de la princesa Leia, la Estrella de la Muerte lo incinera y provoca una titánica explosión que lanza restos planetarios a través del sistema solar.

El gemido angustioso de mil millones de almas crea una perturbación en la Fuerza que se siente en toda la galaxia. Pero ¿es realmente posible el arma Estrella de la Muerte de la saga La guerra de las galaxias? ¿Podría un arma semejante concentrar una batería de cañones láser para vaporizar un planeta entero? ¿Qué pasa con los famosos sables de luz que llevan Luke Skywalker y Darth Vader, que pueden cortar acero reforzado pese a que están hechos de haces luminosos? ¿Son las pistolas de rayos, como los fáseres en Star Trek, armas viables para futuras generaciones de soldados y oficiales de la ley?

Diagrama esquemático de la Estrella de la Muerte

Millones de espectadores que vieron La guerra de las galaxias quedaron estupefactos ante estos asombrosos y originales efectos especiales. Algunos críticos, no obstante, los despreciaron; dijeron que todo eso era pura diversión pero evidentemente imposible. Las pistolas de rayos que destruyen planetas del tamaño de la Luna son imposibles, como lo son las espadas hechas de haces luminosos solidificados. Esta vez, el maestro de los efectos especiales, había ido demasiado lejos.

Aunque quizá sea difícil de creer, el hecho es que no hay ningún límite físico a la cantidad de energía bruta que puede acumularse en un haz de luz. No hay ninguna ley de la física que impida la creación de una Estrella de la Muerte o de sables luminosos. De hecho, haces de radiación gamma que destruyen planetas existen en la naturaleza. La titánica ráfaga de radiación procedente de un lejano estallido de rayos gamma en el espacio profundo crea una explosión solo superada por el
propio Big Bang. Cualquier planeta que desafortunadamente esté dentro de la diana de un estallido de rayos gamma será incinerado o reducido a pedazos o quizás menos que pedazos…

Ilustración de un estallido de rayos gamma.

LAS ARMAS DE RAYOS A TRAVÉS DE LA HISTORIA

El sueño de dominar haces de energía no es realmente nuevo, sino que está enraizado en la mitología y el folclore antiguos. El dios griego Zeus era famoso por arrojar rayos sobre los mortales. El dios nórdico Thor tenía un martillo mágico, Mjolnir, que podía desprender rayos, mientras que el dios hindú Indra era conocido por disparar haces de energía desde una lanza mágica. 

Pintura que ilustra al dios Zeus y el poder del rayo.

La idea de utilizar rayos como un arma práctica empezó probablemente con la obra del gran matemático griego Arquímedes, quizá el científico más importante de la Antigüedad, que descubrió una cruda versión del cálculo infinitesimal hace dos mil años, antes de Newton y Leibniz. Arquímedes sirvió en la defensa del reino de Siracusa en una batalla legendaria contra las fuerzas del general romano Marcelo durante la segunda guerra púnica, en el 214 a.C. Se dice que creó grandes baterías de reflectores solares que concentraban los rayos del Sol en las velas de las naves enemigas y las incendiaba. (Todavía hoy los científicos discuten sobre si esto era un arma de rayos practicable; varios equipos de científicos han tratado de repetir esta hazaña con diferentes resultados).

Funcionamiento de la estrategia de Arquímedes para derrotar a los romanos.

Las pistolas de rayos irrumpen en el escenario de la ciencia ficción en 1889 con el clásico de H. G. Wells La guerra de los mundos, en el que alienígenas procedentes de Marte devastan ciudades enteras disparando haces de energía térmica desde armas montadas en trípodes. Durante la Segunda Guerra Mundial, los nazis, siempre dispuestos a explotar los últimos avances en tecnología para conquistar el mundo, experimentaron con varias formas de pistolas de rayos, incluido un aparato sónico, basado en espejos parabólicos, que podía concentrar intensos haces de sonido. Las armas creadas a partir de haces luminosos concentrados pasaron a formar parte del imaginario colectivo con la película de James Bond Goldfinger, el primer film de Hollywood en el que aparecía un láser. (El legendario espía británico estaba tendido y sujeto con correas en una mesa metálica mientras un potente haz láser que avanzaba lentamente entre sus piernas iba fundiendo la mesa y amenazaba con cortarle por la mitad).

James Bond a punto de ser cortado a la mitad por un rayo láser.

Al principio, los físicos se mofaron de la idea de las pistolas de rayos que aparecían en la novela de Wells porque violaban las leyes de la óptica. De acuerdo con las ecuaciones de Maxwell, la luz que vemos a nuestro alrededor se dispersa rápidamente y es incoherente (es decir, es una mezcla de ondas de diferentes frecuencias y fases). En otro tiempo se pensaba que haces de luz uniformes, coherentes y concentrados, como los que encontramos en los haces láser, eran imposibles.

LA REVOLUCIÓN CUÁNTICA

Todo esto cambió con la llegada de la teoría cuántica. A comienzos del siglo XX estaba claro que aunque las leyes de Newton y las ecuaciones de Maxwell eran espectacularmente acertadas para explicar el movimiento de los planetas y el comportamiento de la luz, no podían explicar toda una clase de fenómenos. Fallaban estrepitosamente para explicar por qué los materiales conducen la electricidad, por qué los metales se funden a ciertas temperaturas, por qué los gases emiten luz cuando son calentados, por qué ciertas sustancias se hacen superconductoras a bajas temperaturas —todo lo cual requiere una comprensión de la dinámica interna de los átomos—. Había llegado el tiempo para una revolución. Doscientos cincuenta años de física newtoniana estaban a punto de ser superados, lo que anunciaba el nacimiento de una nueva física. 

En 1900 Max Planck, en Alemania, propuso que la energía no era continua, como pensaba Newton, sino que se daba en pequeños paquetes discretos llamados «cuantos». Tiempo después, en 1905, Einstein postuló que la luz consistía en estos minúsculos paquetes discretos, más tarde bautizados como «fotones». Con esta idea poderosa pero simple, Einstein fue capaz de explicar el efecto fotoeléctrico, por qué los metales que reciben luz emiten electrones.

Hoy, el efecto fotoeléctrico y el fotón forman la base de la televisión, los láseres, las células solares y buena parte de la electrónica moderna. La teoría de Einstein del fotón era tan revolucionaria que incluso Max Planck, normalmente un gran defensor de Einstein, no podía creerla al principio. Al escribir sobre Einstein, Planck dijo «que a veces pueda haber errado el blanco […] como por ejemplo, en su hipótesis de los cuantos de luz, no puede realmente alegarse en su contra». 

Y no podía faltar Einstein…

En 1913 el físico danés Niels Bohr nos dio una imagen del átomo completamente nueva, una imagen que se parecía a un sistema solar en miniatura. Pero a diferencia de lo que ocurre en un sistema solar en el espacio exterior, los electrones solo pueden moverse en órbitas o capas discretas alrededor del núcleo. Cuando los electrones «saltaban» de una capa a otra capa más interna con menor energía, emitían un fotón de energía. Cuando un electrón absorbía un fotón de energía discreta, «saltaba» a una capa más grande con más energía. Una teoría del átomo casi completa surgió en 1925 con la llegada de la mecánica cuántica y la obra revolucionaria de Erwin Schródinger, Werner Heisenberg y muchos otros. Según la teoría cuántica, el electrón era una partícula, pero tenía una onda asociada con ella, lo que le daba propiedades de partícula y de onda a la vez. La onda obedecía a una ecuación, llamada ecuación de onda de Schródinger, que permitía calcular las propiedades de los átomos, incluidos todos los «saltos» postulados por Bohr.

Antes de 1925 los átomos todavía eran considerados objetos misteriosos que muchos, como el filósofo Ernst Mach, creían que no podían existir. Después de 1925 se podía observar realmente la dinámica del átomo y predecir realmente sus propiedades. Esto significaba que si tuviéramos un ordenador suficientemente grande, podríamos derivar las propiedades de los elementos químicos a partir de las leyes de la teoría cuántica. De la misma forma que los físicos newtonianos podrían calcular los movimientos de todos los cuerpos celestes en el universo si tuvieran una  máquina de calcular suficientemente grande, los físicos cuánticos afirmaban que en teoría se podrían calcular todas las propiedades de los elementos químicos del universo. Si tuviéramos un ordenador suficientemente grande, también podríamos escribir la función de onda de un ser humano entero.

MÁSERES Y LÁSERES 

En 1953 el profesor Charles Townes de la Universidad de California en Berkeley y sus colegas produjeron la primera fuente de radiación coherente en forma de microondas. Fue bautizada como «máser» (las siglas de amplificación de microondas mediante emisión estimulada de radiación). El y los físicos rusos Nikolái Basov y Alexander Projorov ganarían el premio Nobel en 1964. Sus resultados fueron extendidos pronto a la luz visible, lo que dio nacimiento al láser. (Un fáser, sin embargo, es un aparato de ficción popularizado en Star Trek).

El primer Máser.

En un láser se empieza con un medio especial que transmitirá el haz láser, tal como un gas, un cristal o un diodo especial. Luego se bombea energía en este medio desde el exterior, en forma de electricidad, radio, luz o una reacción química. Este repentino flujo de energía se transmite a los átomos del medio, de modo que los electrones absorben la energía y saltan a las capas electrónicas más externas. En este estado excitado el medio es inestable.

Si se envía entonces un haz de luz a través del medio, los fotones incidirán en cada átomo y harán que se desexciten repentinamente, caigan a un nivel inferior y liberen más fotones en el proceso. Esto produce a su vez aún más electrones que liberan fotones, y por último se crea una cascada de átomos que colapsan, lo que libera repentinamente en el haz billones y billones de fotones.

La clave es que, para ciertas sustancias, cuando se produce esta avalancha todos los fotones están vibrando al unísono, es decir, son coherentes. (Imaginemos una hilera de fichas de dominó. Las fichas de dominó en su estado más bajo están tumbadas sobre la mesa. Las fichas en su estado bombeado de alta energía permanecen verticales, similares a los átomos excitados por bombeo en el medio. Si empujamos una ficha, podemos desencadenar un repentino colapso de toda esta energía de una vez, igual que en un haz láser).

Solo ciertos materiales «lasearán», es decir, solo en materiales especiales sucede que cuando un fotón incide en un átomo bombeado se emitirá otro fotón que es coherente con el fotón original. Como resultado de tal coherencia, en este diluvio de fotones todos los fotones vibran al unísono, creando un haz láser fino como un pincel. (Contrariamente al mito, el haz láser no permanece siempre fino como un pincel. Un haz láser dirigido a la Luna, por ejemplo, se expandirá poco a poco hasta que cree una mancha de algunos kilómetros de diámetro). Un sencillo láser de gas consiste en un tubo con helio y neón. Cuando se envía electricidad a través del tubo, los átomos se energizan. Entonces, si la energía se libera de golpe, se produce un haz de luz coherente. El haz se amplifica colocando espejos en cada extremo del tubo, de modo que el haz rebota de un lado a otro entre ambos. Un espejo es completamente opaco, pero el otro permite que escape una pequeña cantidad de energía en cada paso, de manera que sale un haz luminoso por dicho extremo. 

Esquema de un máser de hidrógeno.

Hoy día encontramos láseres en casi todas partes, desde las cajas registradoras de los supermercados a los ordenadores  modernos, pasando por los cables de fibra óptica que conectan con internet, las impresoras láser y los reproductores de CD. También se utilizan en cirugía ocular, o para eliminar tatuajes, e incluso en salones de belleza. En 2004 se vendieron en todo el mundo láseres por valor de más de 5.400 millones de dólares.

TIPOS DE LÁSERES 

Cada día se descubren nuevos láseres a medida que se encuentran nuevos materiales que pueden «lasear», y a medida que se descubren nuevas maneras de bombear energía al medio. 

La pregunta es: ¿son algunas de estas técnicas apropiadas para construir un láser suficientemente potente para alimentar una Estrella de la Muerte? Hoy hay una desconcertante variedad de láseres, dependiendo del material que «lasea» y de la energía que es inyectada en el material (por ejemplo, electricidad, haces intensos de luz, incluso explosiones químicas). Entre ellos:

• Láseres de gas. Entre estos se incluyen los láseres de helio-neón, que son muy comunes y dan un familiar haz rojo. Son alimentados mediante ondas de radio o electricidad. Los láseres de helio-neón son muy débiles. Pero los láseres de dióxido de carbono pueden utilizase para moldear, cortar y soldar en la industria pesada, y pueden crear haces de enorme potencia que son totalmente invisibles.

• Láseres químicos. Estos potentes láseres son alimentados por una reacción química, tal como un chorro ardiente de etileno y trifluoruro de nitrógeno, o NE,. Tales láseres son suficientemente potentes para ser utilizados en aplicaciones militares. Láseres químicos se utilizan en láseres del ejército de Estados Unidos, basados en tierra o en el aire, que pueden producir millones de vatios de potencia y están diseñados para disparar contra misiles de corto alcance en pleno vuelo. 

• Láseres de excímero. Estos láseres también están alimentados por reacciones químicas, en las que con frecuencia interviene un gas inerte (por ejemplo, argón, kriptón o xenón) y flúor o cloro. Producen luz ultravioleta y pueden utilizarse para grabar minúsculos transistores en chips en la industria de semiconductores, o para cirugía ocular delicada. 

• Láseres de estado sólido. El primer láser operativo construido consistía en un cristal de rubí de zafiro-cromo. Una gran variedad de cristales, junto con tulio y otros elementos químicos, soportará un haz láser. Pueden producir pulsos ultracortos de luz láser de alta energía. 

• Láseres de semiconductor. Diodos, que normalmente se utilizan en la industria de semiconductores, pueden producir los haces intensos utilizados en la industria de corte y soldadura. También suelen encontrarse en las cajas registradoras de los supermercados para leer el código de barras de los productos. 

• Láseres de colorante. Estos láseres utilizan colorantes orgánicos como medio. Son excepcionalmente útiles para crear pulsos ultracortos de luz, que con frecuencia solo duran billonésimas de segundo.

LÁSERES Y PISTOLAS DE RAYOS

Dada la gran variedad de láseres comerciales y la potencia de los láseres militares, ¿por qué no tenemos pistolas de rayos aptas para usar en combate o en el campo de batalla? Pistolas de rayos de uno u otro tipo parecen ser algo estándar en el armamento de las películas de ciencia ficción. ¿Por qué no estamos trabajando para crearlas? La simple respuesta está en la falta de una batería portátil. Se necesitarían baterías en miniatura que tuvieran la potencia de una enorme central eléctrica y pese a todo sean suficientemente pequeñas para caber en la palma de la mano. Hoy día la única manera de dominar la potencia de una gran central nuclear es construir una. Actualmente el aparato militar más pequeño que puede contener grandes cantidades de energía es una bomba de hidrógeno en miniatura, que podría destruir tanto a quien la lleva como al blanco.

Pistolas láser, de ser posibles serian mas pequeñas, creo…

Hay también un segundo problema: la estabilidad del material del láser. En teoría no hay límite a la energía que se puede  concentrar en un láser. El problema es que el material del láser en una pistola  de rayos manual no sería estable. Los láseres de cristal, por ejemplo, se sobrecalentarán y agrietarán si se bombea en ellos demasiada energía. Así, para crear un láser extraordinariamente potente, del tipo que pudiera vaporizar un objeto o  neutralizar a un enemigo, sería necesario utilizarla  potencia de una explosión. En tal caso, la estabilidad del material del láser no es una limitación, puesto que dicho láser solo se utilizaría una vez.

La manipulación de un láser requiere de mucho cuidado.

Debido a los problemas de crear una batería portátil y un material de láser estable, no es posible construir una pistola de rayos manual con la tecnología actual. Las pistolas de rayos son posibles, pero solo si están conectadas por cable a una fuente de alimentación. O quizá con nanotecnología podríamos ser capaces de crear baterías en miniatura que almacenen o generen energía suficiente para crear las intensas ráfagas de energía requeridas en un dispositivo manual. Actualmente, como hemos visto, la nanotecnología es muy primitiva. En el nivel atómico los científicos han sido capaces de crear dispositivos atómicos muy ingeniosos, pero poco prácticos, tales como un ábaco atómico y una guitarra atómica. Pero es concebible que a finales de este siglo o en el próximo la nanotecnología sea capaz de darnos baterías en miniatura que puedan almacenar esas fabulosas cantidades de energía.

Un rayo de luz no puede solidificarse ni detenerse.

Los sables de luz adolecen de un problema similar. Cuando se estrenó la película La guerra de las galaxias en los años setenta y los sables de luz se convirtieron en un juguete de éxito entre los niños, muchos críticos señalaron que tales artefactos nunca podrían hacerse. En primer lugar, es imposible solidificar la luz. La luz viaja siempre a la velocidad de la luz, no puede hacerse sólida. En segundo lugar, un haz luminoso no termina en medio del aire como los sables de luz utilizados en La guerra de las galaxias. Los haces luminosos se prolongan indefinidamente; un sable de luz real llegaría al cielo.

Esquema de un posible sable de luz «normal».

En realidad, hay una manera de construir una especie de sable de luz utilizando plasma, o gas ionizado supercaliente. Pueden hacerse plasmas suficientemente calientes para brillar en la oscuridad y también cortar el acero. Un sable de luz de plasma consistiría en una vara delgada y hueca que sale del mango, como una antena telescópica. Dentro de este tubo se liberarían plasmas calientes que escaparían a través de pequeños agujeros situados regularmente a lo largo de la varilla. A medida que el plasma fluyera desde el mango hasta la varilla, y a través de los agujeros, crearía un tubo largo y brillante de gas supercaliente, suficiente para fundir el acero. Este aparato se suele conocer como una antorcha de plasma.

Lo mas parecido a un sable láser es una antorcha de plasma.

Así pues, es posible crear un dispositivo de alta energía que se parece a un sable de luz. Pero como sucede con las pistolas de rayos, sería necesario crear una batería portátil de alta energía. O bien se necesitarían largos cables que conectaran el sable de luz a una fuente de alimentación, o habría que crear, mediante la nanotecnología, una minúscula fuente de alimentación que pudiera suministrar enormes cantidades de potencia. De modo que aunque hoy es posible crear alguna forma de pistolas de rayos y sables de luz, las armas manuales que se encuentran en las películas de ciencia ficción están más allá de la tecnología actual.

ENERGÍA PARA UNA ESTRELLA DE LA MUERTE

Para crear un cañón láser Estrella de la Muerte que pueda destruir un planeta entero y aterrorizar a una galaxia, tal como el que se describe en La guerra de las galaxias, habría que crear el láser más potente que se haya imaginado jamás. Actualmente algunos de los láseres más potentes en la Tierra se están utilizando para producir temperaturas que solo se encuentran en el centro de las estrellas. En forma de reactores de fusión, algún día podrían dominar la potencia de las estrellas en la Tierra.

Reacción de Fusión.

Las máquinas de fusión tratan de imitar lo que sucede en el espacio exterior cuando se forma una estrella. Una estrella empieza como una enorme bola de gas hidrógeno, hasta que la gravedad comprime el gas y con ello lo calienta; las temperaturas llegan a alcanzar niveles astronómicos. En el interior profundo de un núcleo estelar, por ejemplo, las temperaturas pueden ser entre 50 millones y 100 millones de grados centígrados, suficientes para hacer que los núcleos de hidrógeno choquen unos con otros y formen núcleos de helio; en el proceso se libera una ráfaga de energía. La fusión del hidrógeno en helio, en la que una pequeña cantidad de masa se convierte en energía mediante la famosa ecuación de Einstein E = mc2, es la fuente de energía de las estrellas.

La Estrella de la Muerte y su fuente de poder.

Hoy día los científicos ensayan dos maneras de dominar la fusión en la Tierra. Ambas han resultado ser muchos más difíciles de desarrollar de lo esperado.

Fusión por confinamiento inercial 

El primer método se llama «confinamiento inercial». Utiliza los láseres más potentes en la Tierra para crear un pedazo de Sol en el laboratorio. Un láser de estado sólido de neodimio es idóneo para reproducir las temperaturas abrasadoras que solo se encuentran en el corazón de una estrella. Estos sistemas de láser tienen el tamaño de una gran fábrica y contienen una batería de láseres que disparan una serie de haces láser paralelos a través de un largo túnel. Estos haces láser de alta potencia inciden en una serie de pequeños espejos dispuestos alrededor de una esfera; los espejos concentran cuidadosamente los haces láser en una minúscula ampolla rica en hidrógeno (hecha de sustancias tales como deuteruro de litio, el ingrediente activo de una bomba de hidrógeno). La ampolla tiene normalmente el tamaño de una cabeza de alfiler y solo pesa 10 miligramos.

El golpe de luz láser incinera la superficie de la ampolla, lo que hace que la superficie se vaporice y comprima la ampolla. Cuando la ampolla colapsa se crea una onda de choque que llega al corazón de la ampolla y hace subir la temperatura a millones de grados, suficiente para fusionar los núcleos de hidrógeno en helio. Las temperaturas y presiones son tan astronómicas que se satisface el «criterio de Lawson», el mismo criterio que se satisface en las bombas de hidrógeno y en el corazón de las estrellas. (El criterio de Lawson establece que debe alcanzarse un rango específico de temperaturas, densidades y tiempo de confinamiento para desatar el proceso de fusión, sea en una bomba de hidrógeno, una estrella o en un reactor de fusión).

En el proceso de confinamiento inercial se liberan enormes cantidades de energía, y también neutrones. (El deuteruro de litio puede llegar a temperaturas de 100 millones de grados centígrados y una densidad veinte veces mayor que la del plomo). Los neutrones que se emiten desde la ampolla inciden en una capa esférica de material que recubre la cámara, y la capa se calienta. La capa calentada hace hervir agua y el vapor puede utilizarse para impulsar una turbina y producir electricidad.

El problema, no obstante, está en ser capaces de concentrar uniformemente una potencia tan intensa en una minúscula ampolla esférica. El primer intento serio de crear fusión por láser fue el láser Shiva, un sistema láser de veinte haces construido en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) en California, que empezó a operar en 1978. (Shiva es la diosa hindú de múltiples brazos, a los que imita el diseño del sistema láser). La actuación del sistema láser Shiva fue decepcionante, pero fue suficiente para demostrar que la fusión por láser es técnicamente posible. El sistema láser Shiva fue reemplazado más tarde por el láser Nova, con una energía diez veces mayor que la de Shiva. Pero el láser Nova tampoco consiguió una ignición adecuada de las ampollas. En cualquier caso, preparó el camino para la investigación actual en la Instalación Nacional de Ignición (NIF), cuya construcción empezó en 1997 en el LLNL.

Pero ni siquiera la máquina de fusión por láser de la NIF, que contiene los láseres más potentes de la Tierra, puede acercarse de momento al poder devastador de la Estrella de la Muerte de La guerra de las galaxias. Para construir tal aparato debemos buscar en otras fuentes de potencia.

Fusión por confinamiento magnético 

El segundo método que los científicos podrían utilizar para alimentar una Estrella de la Muerte se llama «confinamiento magnético», un proceso en el que un plasma caliente de hidrógeno gaseoso está contenido dentro de un campo magnético. De hecho, este método podría proporcionar realmente el prototipo para los primeros reactores de fusión comerciales. Hoy día, el proyecto de fusión más avanzado de este tipo es el Reactor Experimental Termonuclear Internacional (ITER).En 2006 un consorcio de naciones (incluidas la Unión Europea, Estados Unidos, China, Japón, Corea, Rusia y la India) decidió construir el ITER en Cadarache, al sur de Francia. Está diseñado para calentar hidrógeno gaseoso hasta 100 millones de grados centígrados. Podría convertirse en el primer reactor de fusión en la historia que genere más energía que la que consume. Está diseñado para generar 500 megavatios de potencia durante 500 segundos (el récord actual es 16 megavatios de potencia durante 1 segundo).

Logotipo de la ITER

El ITER debería generar su primer plasma para 2016 y estar plenamente operativo en 2022. Con un coste de 12.000 millones de dólares, es el tercer proyecto científico más caro de la historia (después del Proyecto Manhattan y la Estación Espacial Internacional). El ITER se parece a un gran donut, con enormes bobinas enrolladas alrededor de la superficie por cuyo interior circula hidrógeno gaseoso. Las bobinas se enfrían hasta hacerse superconductoras, y entonces se bombea en ellas una enorme cantidad de energía eléctrica, lo que crea un campo magnético que confina el plasma dentro del donut. Cuando este se alimenta con una corriente eléctrica, el gas se calienta hasta temperaturas estelares.

La razón de que los científicos estén tan excitados con el ITER es la perspectiva de crear una fuente de energía barata. El suministro de combustible para los reactores de fusión es agua de mar ordinaria, que es rica en hidrógeno. Sobre el papel al menos, la fusión puede proporcionarnos un suministro de energía inagotable y barato. Entonces, ¿por qué no tenemos ahora reactores de fusión? ¿Por qué se han necesitado tantas  décadas para hacer progresos si el proceso de fusión ya era conocido en la década de 1950? El problema reside en la enorme dificultad de comprimir el combustible hidrógeno de un modo uniforme. En las estrellas la gravedad comprime el hidrógeno en una esfera perfecta, de modo que el gas se caliente uniforme y limpiamente. En la fusión por láser de la NIF, los haces concéntricos de luz láser que incineran la superficie de la ampolla deben ser perfectamente uniformes, y es extraordinariamente difícil conseguir esta uniformidad.

En las máquinas de confinamiento magnético, los campos magnéticos tienen polos norte y polos sur; como resultado, comprimir el gas uniformemente en una esfera es extremadamente difícil. Lo mejor que podemos hacer es crear un campo magnético en forma de donut. Pero comprimir el gas es como estrujar un globo. Cada vez que se estruja el globo por un extremo, el aire infla alguna otra parte. Estrujar el globo uniforme y simultáneamente en todas direcciones es un reto difícil. Normalmente el gas caliente se escapa de la botella magnética, toca eventualmente las paredes del reactor y detiene el proceso de fusión. Por eso ha sido tan difícil estrujar el hidrógeno durante más de un segundo. A diferencia de la generación actual de centrales nucleares de fisión, un reactor de fusión no creará grandes cantidades de residuos nucleares. (Cada central de fisión tradicional produce cada año 30 toneladas de residuos nucleares de un nivel extremadamente alto. Por el contrario, el residuo nuclear creado por una máquina de fusión sería básicamente el acero radiactivo que quedaría cuando el reactor fuera finalmente desmantelado).

La fusión no resolverá por completo la crisis energética de la Tierra en un futuro cercano; según el francés Pierre-Gilles de Gennes, premio Nobel de Física, «Decimos que pondremos el Sol en una caja. La idea es bonita. El problema es que no sabemos cómo hacer la caja». Pero si todo va bien, los investigadores tienen esperanzas de que en menos de cuarenta años el ITER pueda allanar  el camino para la comercialización de la energía de fusión, energía que puede proporcionar electricidad para nuestros hogares. Algún día, los reactores de fusión aliviarán nuestro problema energético, liberando con seguridad la potencia del Sol sobre la Tierra. Pero ni siquiera los reactores de fusión por confinamiento magnético ofrecerían suficiente energía para alimentar un arma como la Estrella de la Muerte. Para eso necesitaríamos un diseño totalmente nuevo.

LÁSERES DE RAYOS X CON DETONADOR NUCLEAR

Hay otra posibilidad para simular un cañón láser Estrella de la Muerte con la tecnología conocida hoy, y es con una bomba de hidrógeno. Una batería de láseres de rayos X que aproveche y concentre la potencia de las armas nucleares podría generar en teoría suficiente energía para activar un dispositivo que podría incinerar un planeta entero.  La fuerza nuclear libera una energía que, para una misma cantidad de material, es unos 100 millones de veces mayor que la liberada en una reacción química. Un trozo de uranio enriquecido no mayor que una pelota de tenis es suficiente para incinerar toda una ciudad y convertirla en una bola de fuego —incluso si solo el 1 por ciento de su masa se ha convertido en energía—. Como ya
se ha dicho, hay varias maneras de inyectar energía en un haz láser. La más potente de todas, con mucho, es utilizar la fuerza liberada por una bomba nuclear.

Los láseres de rayos X tienen un enorme valor científico además de militar. Debido a su longitud de onda muy corta pueden utilizase para sondear distancias atómicas y descifrar la estructura atómica de moléculas complejas, una hazaña que es extraordinariamente difícil utilizando métodos ordinarios. Toda una nueva ventana a las reacciones químicas se abre cuando podemos «mirar» los propios átomos en movimiento y su disposición adecuada dentro de una molécula. Puesto que una bomba de hidrógeno emite una enorme cantidad de energía en el rango de rayos X, los láseres de rayos X también pueden ser alimentados por armas nucleares. La persona más estrechamente vinculada con el láser de rayos X es el físico Edward Teller, padre de la bomba de hidrógeno.

Edward Teller, padre de la bomba de hidrógeno.

De todos es sabido que Teller fue el físico que declaró ante el Congreso en los años cincuenta que Robert Oppenheimer, que había dirigido el Proyecto Manhattan, no era digno de confianza para seguir trabajando en la bomba de hidrógeno debido a sus ideas políticas. El testimonio de Teller llevó a que Oppenheimer cayera en desgracia y se le revocara su credencial de seguridad; muchos físicos destacados nunca perdonaron a Teller lo que hizo. Básicamente, el láser de rayos X de Teller es una pequeña bomba nuclear rodeada de varillas de cobre. La detonación del arma nuclear libera una onda de choque esférica de rayos X intensos. Estos rayos X energéticos atraviesan las varillas de cobre, que actúan como el material del láser y concentran la potencia de los rayos X en haces intensos. Estos haces de rayos X podrían dirigirse luego hacia cabezas nucleares enemigas. Por supuesto, un artefacto semejante solo se podría utilizar una vez, puesto que la detonación nuclear
hace que el láser de rayos X se autodestruya.

El test inicial de un láser de rayos X alimentado nuclearmente fue llamado el test Cabra, y se llevó a cabo en 1983 en un pozo subterráneo. Se detonó una bomba de hidrógeno cuyo diluvio de rayos X incoherentes fue luego concentrado en un haz láser de rayos X coherente.

Al principio el test fue considerado un éxito, y de hecho en 1983 inspiró al presidente Ronald Reagan para anunciar, en un discurso histórico, su intención de construir un escudo defensivo «guerra de las galaxias». Así se puso en marcha un proyecto de muchos miles de millones de dólares, que continúa todavía hoy, para construir una serie de artefactos como el láser de rayos X alimentado nuclearmente para acabar con los misiles balísticos intercontinentales (ICBM) enemigos. (Una investigación posterior demostró que el detector utilizado para realizar las medidas durante el test Cabra quedó destruido; por lo tanto sus medidas no eran fiables).

LA FÍSICA DE UNA ESTRELLA DE LA MUERTE

¿Pueden crearse armas capaces de destruir un planeta entero, como en La guerra de las  galaxias? En teoría, la respuesta es  sí. Habría varias formas de crearlas. En primer lugar, no hay ningún límite físico a la energía que puede liberar una bomba de hidrógeno. He aquí cómo funciona. (Los detalles precisos de la bomba de hidrógeno son alto secreto e incluso hoy están clasificadas por el Gobierno de Estados Unidos, pero las líneas generales son bien conocidas). Una bomba de hidrógeno se construye en realidad en muchas etapas. Mediante una secuencia adecuada de esas etapas, se puede producir una bomba nuclear de magnitud casi arbitraria.

La primera etapa consiste en una bomba de fisión estándar, que utiliza el poder del uranio 235 para liberar una ráfaga de rayos X, como sucedió en la bomba de Hiroshima. Una fracción de segundo antes de que la onda explosiva de la bomba atómica lo destroce todo, la esfera de rayos X en expansión alcanza a la onda (puesto que viaja a la velocidad de la luz), que es entonces reconcentrada en un contenedor de deuteruro de litio, la sustancia activa de una bomba de hidrógeno.(Cómo se hace esto exactamente sigue siendo materia reservada).

Los rayos X que inciden en el deuteruro de litio hacen que colapse y se caliente hasta millones de grados, lo que provoca una segunda explosión, mucho mayor que la primera. La ráfaga de rayos X procedente de esta bomba de hidrógeno puede luego ser reconcentrada en un segundo trozo de deuteruro de litio, lo que provoca una tercera explosión. De esta manera, se pueden apilar capas de deuteruro de litio y crear una bomba de hidrógeno de magnitud inimaginable.

De hecho, la mayor bomba de hidrógeno construida fue una de dos etapas detonada por la Unión Soviética en 1961, que liberó una energía de 50 millones de toneladas de TNT, aunque teóricamente era capaz de un explosión equivalente a más de 100 millones de toneladas de TNT (unas 5.000 veces la potencia de la bomba de Hiroshima). Incinerar un planeta entero, sin embargo, es algo de una magnitud completamente diferente. Para esto, la Estrella de la Muerte tendría que lanzar miles de tales láseres de rayos X al espacio, y luego sería necesario dispararlos todos a la vez. (Recordemos, por comparación, que en el apogeo de la guerra fría Estados Unidos y la Unión Soviética almacenaban unas 30.000 bombas nucleares cada uno).

La energía total de un número tan enorme de láseres de rayos X sería suficiente para incinerar la superficie de un planeta. Por lo tanto, sería ciertamente posible que un imperio galáctico a cientos de miles de años en el futuro creara un arma semejante. Para una civilización muy avanzada hay una segunda opción: crear una Estrella de la Muerte utilizando la energía de un estallido de rayos gamma. Una Estrella de la Muerte semejante liberaría una ráfaga de radiación solo superada por el big bang. Los estallidos de rayos gamma ocurren de forma natural en el espacio exterior, pero es concebible que una civilización avanzada pudiera dominar su enorme poder. Controlando el giro de una estrella mucho antes de que sufra  un colapso y produzca una hipernova, se podría dirigir el estallido de rayos gamma a cualquier punto del espacio.

ESTALLIDOS DE RALLOS GAMMA 

Los estallidos de rayos gamma se vieron realmente por primera vez en la década de 1970, cuando el ejército de Estados Unidos lanzó el satélite Vela para detectar «destellos nucleares» (pruebas de una detonación no autorizada de una bomba nuclear). Pero en lugar de detectar destellos nucleares, el satélite Vela detectó enorme ráfagas de radiación procedentes del espacio.

Satélite Vela.

Al principio, el descubrimiento sembró el pánico en el Pentágono: ¿estaban los soviéticos probando una nueva arma nuclear en el espacio exterior? Más tarde se determinó que esas ráfagas de radiación llegaban uniformemente de todas las direcciones del cielo, lo que significaba que en realidad procedían de fuera de la Vía Láctea. Pero si eran extragalácticas, debían estar liberando  cantidades de energía verdaderamente astronómicas, suficientes para iluminar todo el universo visible.

Cuando la Unión Soviética se descompuso en 1990, el Pentágono desclasificó un gran volumen de datos astronómicos, lo que abrumó a los astrónomos. De repente, los astrónomos comprendieron que tenían delante un fenómeno nuevo y misterioso, un fenómeno que requeriría reescribir los libros de texto de ciencia. Puesto que los estallidos de rayos gamma duran solo de algunos segundos a unos pocos minutos antes de desaparecer, se requiere un elaborado sistema de sensores para detectarlos y analizarlos. Primero, los satélites detectan la ráfaga de radiación inicial y envían las coordenadas exactas de la ráfaga a la Tierra. Estas coordenadas son entonces introducidas en telescopios ópticos o radiotelescopios, que apuntan hacia la localización exacta del estallido de rayos gamma.

Aunque quedan muchos detalles por clarificar, una teoría sobre los orígenes de los estallidos de rayos gamma es que son «hipernovas» de enorme potencia que dejan tras ellas agujeros negros masivos. Es como si los estallidos de rayos gamma fueran agujeros negros monstruosos en formación. Pero los agujeros negros emiten dos «chorros» de radiación, uno desde el polo norte y otro desde el polo sur, como una peonza que gira. La radiación que se ve procedente de un estallido de rayos gamma distante es, al parecer, uno de los chorros que apunta hacia la Tierra. Si el chorro de un estallido de rayos gamma estuviera dirigido a la Tierra y el estallido de rayos gamma estuviese en nuestra vecindad galáctica (a unos pocos centenares de años luz de la Tierra), su potencia sería suficiente para destruir toda la vida en nuestro planeta. 

Inicialmente, el pulso de rayos X del estallido de rayos gamma crearía un pulso electromagnético que barrería todos los equipos electrónicos en la  Tierra. Su intenso haz de rayos X y rayos gamma sería suficiente para dañar la atmósfera de la Tierra y destruir nuestra capa de ozono protectora. El chorro del estallido de rayos gamma calentaría la superficie de la Tierra a grandes temperaturas, lo que eventualmente provocaría enormes tormentas que abarcarían todo el planeta. Quizá el estallido de rayos gamma no hiciera explotar en realidad al planeta, como en la película La guerra de las galaxias, pero sin duda destruiría toda la vida, dejando un planeta desolado.

Es concebible que una civilización centenares de miles o un millón de años más avanzada que la nuestra fuera capaz de dirigir un agujero negro semejante en la dirección de un blanco. Esto podría hacerse desviando la trayectoria de planetas y estrellas de neutrones hacia la estrella moribunda a un ángulo preciso antes de que colapse. Esta desviación sería suficiente para cambiar el eje de giro de la estrella de modo que pudiera apuntarse en una dirección dada. Una  estrella moribunda sería el mayor cañón de rayos imaginable. Y para los habitantes del planeta objetivo seria el fin, esperemos que a nuestra querida Tierra no le ocurra nada parecido…

[ Esta entrada participa en la XXXIX Edición del Carnaval de la Física, que esta siendo organizado en esta ocasión por el blog El zombi de Schrödinger. ]

REFERENCIAS |

• http://es.wikipedia.org/wiki/L%C3%A1ser
  
• http://es.wikipedia.org/wiki/Diodo_l%C3%A1ser
• http://es.wikipedia.org/wiki/L%C3%A1ser_de_punto_cu%C3%A1ntico
• http://es.wikipedia.org/wiki/L%C3%A1ser_de_helio-ne%C3%B3n
• http://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1ser
• http://es.wikipedia.org/wiki/L%C3%A1ser_excimer
• http://www.ciencia-ficcion.com/glosario/f/faser.htm
• http://starwars.wikia.com/wiki/Star_Wars
• http://es.wikipedia.org/wiki/Estrella_de_la_Muerte
• http://www.solarviews.com/cap/sat/mimas2.htm
• http://es.starwars.wikia.com/wiki/Estrella_de_la_Muerte_II
• http://es.starwars.wikia.com/wiki/Estrella_de_la_Muerte_I
• http://es.starwars.wikia.com/wiki/Rayo_Superl%C3%A1ser_de_Parab%C3%B3lica_C%C3%B3ncava
• http://es.wikipedia.org/wiki/Luz
• http://es.wikipedia.org/wiki/Fusi%C3%B3n_nuclear
• http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/nucene/nucbin2.html#c1
• http://books.google.com.gt/books/about/F%C3%ADsica_de_lo_imposible.html?id=OFe1gx4gJv4C&redir_esc=y
• http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1901/rontgen-bio.html
• http://www.xtal.iqfr.csic.es/Cristalografia/parte_02.html
• http://es.wikipedia.org/wiki/Rayos_gamma
• http://partner.cab.inta-csic.es/index.php?Section=Curso_Fundamentos_Capitulo_1
• http://es.wikipedia.org/wiki/Fot%C3%B3n
• http://es.wikipedia.org/wiki/Werner_Heisenberg
• http://www.aip.org/history/gap/Compton/01_Compton.html
• http://links.jstor.org/sici?sici=0036-8075%2819950714%293%3A269%3A5221%3C198%3AOOBCIA%3E2.0.CO%3B2-G
• http://scienceblogs.com/builtonfacts/2009/02/04/the-physics-of-the-death-star/

El verdadero origen de E = mc^2

Hace un par de días estaba leyendo algunas noticias de ciencia que me envían algunos amigos por correo electrónico, me encontré con la grata sorpresa de que  por primera vez había recibido una noticia muy interesante.

Un nuevo estudio revela que la contribución de un poco conocido físico austriaco, Friedrich Hasenöhrl, quien pudo haber sido el precursor de la famosa ecuación de Einstein.

Dos físicos estadounidenses describen el papel desempeñado por el físico austríaco Friedrich Hasenöhrl en el establecimiento de la proporcionalidad entre la energía (E) de una cantidad de materia con su masa (m) en una cavidad llena de radiación. En un artículo a punto de ser publicado en la European Physical H Diario , Stephen Boughn de Haverford College en Pensylvannia y Tony Rothman de la Universidad de Princeton en Nueva Jersey argumentan cómo el trabajo Hasenöhrl, por la que ahora recibe poco crédito, puede haber contribuido a la famosa ecuación E = mc ² .

Dada la falta de reconocimiento por la contribución de Hasenöhrl, los autores examinaron la obra original del físico austriaco sobre la radiación de cuerpo negro en una cavidad con paredes perfectamente reflectantes. Este estudio trata de identificar el cuerpo negro de masa cambia cuando la cavidad se mueve respecto al observador.

El año de 1904 seguía su curso normal, Einstein aun trabajaba muy duramente en  los aspectos finales sobre su Teoría de la Relatividad Especial que seria publicada en el para muchos «año glorioso» de 1905.

Mientras tanto un físico austriaco llamado Fritz Hasenöhrl examinaba las propiedades de la radiación de un cuerpo negro en una cavidad en movimiento. Logro calcular el trabajo necesario para mantener la cavidad en movimiento constante mientras se llenaba con la radiación del cuerpo negro y llego a la conclusión de que la energía de radiación asociada con una masa aparente indicaba la siguiente ecuación:

Luego en un trabajo posterior, también en 1904, Hasenöhrl logro obtener el mismo resultado mediante el calculo de la fuerza necesaria para acelerar una cavidad que ya estaba llena de radiación.

A principios de 1905, se corrigió el ultimo resultado a:

Ese ultimo resultado, ha llevado a muchos a concluir que Hasenöhrl fue una victima mas del mismo «error» cometido por otros que se deriva en esa relación entre la masa y la energía electrostática del electrón. Algunos han atribuido el error a la negligencia de no mensurar la tensión en la cavidad del cuerpo negro.

Pero el error principal en su primer paper fue, irónicamente  que no se representaba la perdida de la masa de las tapas de los extremos del cuerpo negro a medida que irradiaban energía en la cavidad.

Sin embargo, aun teniendo en cuenta esto se concluye que la radiación de cuerpo negro tiene una masa equivalente de:

Dependiendo de si se equipara el impulso o la energía cinética de la radiación para el impulso o la energía cinética de una masa equivalente.

En su segundo y tercer paper, que tratan acerca de una cavidad acelerada, Hasenöhrl llego a la conclusión de que la masa asociada con la radiación de cuerpo negro era:

Un resultado que en el contexto limitado de experimentación de Hasenöhrl, es realmente consistente con la relatividad especial. (Si se incluyen todos los componentes del sistema, incluyendo las tensiones de la cavidad, entonces la masa total y la energía del sistema son, sin duda, una relación muy consistente  de  m = E / c^{2 )}

Una lección importante de estos análisis es que E = m c ² , aunque extremadamente útil, no es una «ley de la física» en el sentido de que no debe aplicarse indiscriminadamente a cualquier sistema ampliado y, en particular, a los subsistemas de la cual que se componen.

Journal Reference:

1. Stephen Boughn Fritz Hasenöhrl y E = mc ^2. La Revista Europea de Física H [link de la publicación]