Ingeniería Imposible

Ingeniería Imposible

por Jorge Balej

La ciencia ficción suele imaginar cosas que parecen imposibles, pero que tienen un base científica. Tal es el caso de la Esfera de Dyson y de su hermano menor, el Mundo Anillo, construcciones de tamaños siderales que resultan casi inimaginables. El siguiente artículo presenta un análisis científico de las posibilidades de construir estas gigantescas obras.

"La tecnología altamente avanzada es escencialmente indistinguible de la magia"
Arthur C. Clarke

Jorge Balej
Ciencia & Ficción.

 Esfera de Dyson

 
  "Sentado en su habitación, volvió a escuchar la grabación del informe sobre el primer pasaje a través de la Esfera de Dyson. Lo había escuchado ya tantas veces que estaba idiotizado, pero a su vez sorprendido por lo que el análisis posterior había revelado. Él creía que el interior de la esfera estaba totalmente excento de vida, el detalle de los datos más avanzado mostró una variedad - casi infinita según Picard - de plantas y vegetación."
Charles Pellegrino y George Zebrovsky - "Dyson Sphere" (¡Gracias Mariana!)

 

¿Que es una esfera de Dyson?, imagine un objeto tan inmenso que es capaz de contener al Sol en su interior y aun así queda espacio para colocar, si lo desea, millones de soles mas. Esta maravilla fue propuesta por el físico estadounidense Freeman Dyson en 1959 en "Search for Artificial Stellar Sources of Infrared Radiation" (Science) como una alternativa para el aprovechamiento total de la energía solar y una solución, vía fuerza bruta podríamos decir, del problema de la superpoblación ya sea por vivir en el interior mismo de la esfera o en una nube de planetoides en sus márgenes. También es un concepto utilizado por la ciencia ficción. Los treekis recordarán el capítulo "Relics" de "Star Trek: The Next Generation" donde la nave Enterprise (en su eterno viaje para explorar nuevos mundos y contactar civilizaciones extrañas) se topaba con un objeto de este tipo. En realidad, existen tres tipos de esferas de Dyson. El primero es simplemente una densa nube de planetoides en órbitas keplerianas alrededor del sol. Esta nube no cubriría completamente al astro pero seria relativamente sencilla de construir y aprovecharía eficazmente la energía. Además los planetoides podrían ser habitables. El segundo tipo corresponde a nuestra idea inicial, una esfera rígida cubriendo completamente al sol. El tercero requiere la construcción de velas solares, estas son enormes extensiones de membrana reflectante (su tamaño debería ser de cientos de kilómetros cuadrados) que se mantendrían estáticas y en equilibrio debido a la compensación entre la fuerza de gravedad del sol y la repulsión producida por la presión de la luz sobre las velas.

Figura 1: corte de una esfera de Dyson (el circulo amarillo es obviamente el sol, aunque en realidad es mucho mas pequeño).

Se entiende que una esfera de Dyson debe ser grande, pero ¿que tan grande?. En primer lugar, su radio debería ser del orden del radio de una órbita planetaria. Si partimos de la hipótesis de que la esfera es sólida o bien esta constituida por módulos que serian utilizados como hábitats, la distancia de estos al Sol debe ser tal que permita vivir cómodamente a sus inteligentes constructores. Supongamos que nuestra civilización poseyera la tecnología para construir una esfera como ésta. Evidentemente su radio debería ser igual al radio promedio de la órbita de la Tierra ya que ésta es la distancia al Sol adecuada para sustentar la vida en nuestro planeta. Debería ser, entonces, aproximadamente R = 150000000 km. Con este radio la superficie total (S = 4 p R²) sería S = 7x10¹⁶ km². Si tenemos en cuenta que la superficie de la Tierra es de solo 1.4x10⁸ km², la superficie de la esfera seria ¡100000000 de veces mayor que la de la Tierra!, dicho de otro modo  dispondríamos de una extensión equivalente a 100000000 de planetas del tamaño del nuestro para vivir, se acabaría cualquier problema de superpoblación imaginable.

¿Que clase de supercivilización podría crear una esfera de Dyson?. En el libro "Comunicación con inteligencias extraterrestres" de Carl Sagan se incluye una escala de civilizaciones basada en su nivel tecnológico creada por el científico ruso N. S. Kardashev, puede verse en la Tabla I.

Tabla I: Escala de Kardashev

Civilización tipo I	Capaz de utilizar el equivalente a la producción actual de energía de nuestra civilización para la comunicación interestelar.
Civilización tipo II	Capaz de utilizar el equivalente de la producción de energía del Sol para la comunicación interestelar.
Civilización tipo III	Capaz de utilizar el equivalente de energía de nuestra galaxia para la comunicación interestelar.

 

Evidentemente nuestra civilización no es candidata a formar parte de esta escala todavía. Por otro lado es probable que una civilización del tipo II sea capaz de construir esferas de Dyson. En el mismo libro encontramos discusiones muy interesantes sobre las posibilidades actuales de comunicación y entendimiento con civilizaciones de este tipo. Desde que se propuso la existencia de estructuras como esta se han realizado varias búsquedas de tales objetos mediante radiotelescopios, ya que se supone que una esfera de Dyson debería emitir radiación en el rango del infrarrojo, pero no ha habido éxito hasta ahora (seria interesante encontrarse observando una estrella que en un período corto desapareciera del campo visible para convertirse en emisora infrarroja, pero es poco probable que tengamos tanta suerte).

Pero, una obra de ingeniería de esta magnitud, ¿que problemas puede plantear?. En primer lugar, si consideramos una esfera del segundo tipo dentro de cuya superficie se planee vivir, el problema obvio es el de la fuerza de gravedad. ¡En el interior de la esfera no habría gravedad!, sus habitantes no podrían mantenerse sobre el suelo, flotarían dentro del objeto sin control o terminarían cayendo hacia el sol y, lo que es peor, no se podría mantener una atmósfera en su interior. De manera que se hace necesario contar con ciertos aparatos cuya creación es quizás mas fantástica que la de la esfera misma, me refiero a generadores de gravedad.

Figura 2: rotación de una esfera de Dyson. Las flechas indican la dirección de la fuerza centrífuga (pseudo gravedad) para distintas latitudes.

¿Que nave en una historia de ciencia ficción, que usted recuerde, no contó con generadores de gravedad?. Si, la Discovery y la Alexei Leonov creaban gravedad artificial por medio de la fuerza centrífuga que se producía al rotar parte de sus estructuras, pero no es eso a lo que me refiero, en la mayoría de los casos el tema se soslaya rápidamente, sus tripulantes simplemente caminan como si lo hicieran por la tierra misma, sin que se aprecie rotación de ningún tipo.La gravedad artificial es una hipótesis necesaria en el mundo del cine de ciencia ficción ya que de otro modo se gastaría mucho dinero en los efectos especiales necesarios para simular convincentemente la falta de ella (recordemos Apollo 13) y probablemente se perdería gran parte de la acción entre tanta flotación libre. Una pregunta para entendidos: si es posible generar gravedad artificial, ¿cual es el objeto de los cinturones de seguridad en una nave espacial? o mas aun, ¿por que los tripulantes caen al piso cuando ocurren choques o desaceleraciones rápidas? alguien capaz de generar inercia artificial, ¿no podría compensar las aceleraciones y desaceleraciones hasta hacerlas imperceptibles?.

Desgraciadamente no se avista en la actualidad ni siquiera teóricamente la posibilidad de crear algo como generadores de gravedad o inercia. Obviamente se podría simular gravedad mediante la rotación de la esfera, pero en ese caso solo disfrutaría de esta pseudogravedad la zona del ecuador. En otra latitud los habitantes se verían obligados a caminar incomodamente inclinados debido a que la fuerza centrifuga no es radial (Figura 2).

El segundo gran problema es el de la estabilidad del objeto. La razón por la que no existe fuerza de gravedad en el interior de una esfera de Dyson proviene del Teorema de Gauss, se encuentra una explicación sencilla de este tema en uno de los links, sin embargo también se puede hacer el cálculo completo de estabilidad para esta esfera, lo interesante del caso es que ¡resulta ser inestable!. La inestabilidad de la esfera es un problema serio, ya que significa que cualquier fuerza aplicada sobre ella la descentrará respecto del sol, y obviamente, si se descentra el hemisferio mas cercano al sol recibiría un exceso de radiación mientras que el mas lejano recibiría menos, en cualquier caso esto seria mortal para sus habitantes. Además a la larga terminaría colisionando con el sol y debemos tener en cuenta que si bien la esfera es un objeto realmente inmenso, su masa total no tiene que ser necesariamente tan grande y un choque con el sol sería desastrozo. De modo que el objeto debería disponer de un modo razonable para mantener su posición ante cualquier desviación (¿quizas cohetes distribuidos estrategicamente en el interior?).

Por otro lado, los materiales necesarios para construirla deberían poseer una resistencia enorme, ninguna de las aleaciones conocidas hasta ahora nos serviría. Además seria necesario "desarmar" planetas completos para disponer de suficiente material para su construcción, por suerte se puede demostrar que la materia de todos los planetas del sistema solar sería suficiente para una del tamaño requerido.

¿Como se verían las cosas viviendo en el interior de una esfera de Dyson?. La curvatura de su superficie seria mucho menor que la de la Tierra, de manera que para uno de sus habitantes el paisaje luciría completamente plano. El horizonte se vería neblinoso debido a la opacidad de la atmósfera. El cielo estaría cubierto por la extensión de la esfera y mirando hacia arriba se verían probablemente solo nubes ya que los continentes y océanos del hemisferio opuesto (de existir) estarían tan lejos que no podrian distinguirse, además el sol siempre estaría en el cenit. Un problema para los habitantes seria la dificultad en las comunicaciones ya que un mensaje por radio tardaría unos 16 minutos en viajar desde un punto al opuesto de la esfera (claro, una civilización capaz de contruir una cosa como esta probablemente poseería mejores modos de comunicarse).

Una frase encontrada en otra página que me pareció muy buena: "Si usted posee la tecnología necesaria para construir una esfera de Dyson ... probablemente no la necesite". ¿Quien sabe?.

 

Mundo Anillo

 

  "Tres anillos para los Reyes Elfos bajo el cielo. Siete para los Señores Enanos en casas de piedra. Nueve para los Hombres Mortales condenados a morir. Uno para el Señor Oscuro, sobre el trono oscuro en la Tierra de Mordor donde se extienden las Sombras. Un Anillo para gobernarlos a todos. Un Anillo para encontrarlos, un Anillo para atraerlos a todos y atarlos en las tinieblas en la Tierra de Mordor donde se extienden las Sombras."
J. R. R. Tolkien - "El Señor de los Anillos"
 
 

Si ya leyó la sección sobre la esfera de Dyson, probablemente ha empezado a acostumbrarse a construcciones ciclópeas. Un mundo anillo es otra de la misma especie, pero con ciertas ventajas respecto de la primera. La idea es circundar al sol con una cinta rígida del radio de una órbita planetaria, cuya cara interna (la que da al sol) se pueda emplear como hábitat. Obviamente su capacidad para captar energía solar se vería bastante reducida respecto de la esfera, por eso la idea es utilizarlo principalmente como lugar de residencia, ya que, de todos modos, la superficie total es inmensamente mayor que la de un planeta.

¿Por que un mundo anillo debería ser mas ventajoso que una esfera como hábitat?, una razón evidente es que el anillo no requiere de aparatos exóticos para poseer una "fuerza de gravedad". Basta con ponerlo a girar sobre su eje de modo que la velocidad angular proporcione una fuerza centrifuga del orden de la gravedad de, digamos, la Tierra. De este modo, sus habitantes, flora y fauna, permanecerían cómodamente pegados al suelo.

Para una descripción acabada del mundo anillo les recomiendo leer la serie de libros de Larry Niven: "Ringworld", "The Ringworld Engineers" y "The Ringworld Throne" , que están, sin duda, entre las mejores series de ciencia ficción jamás escritas. Según Niven los parámetros de su mundo anillo serian los de la Tabla II.

Tabla II: Parámetros del Mundo Anillo

Duración del día	30 horas
Periodo de rotación	7,5 días
Masa	2 x1030 g
Radio	1,5915 x 108 km
Longitud de la Circunferencia	109 km
Ancho	1,6 x 106 km
Superficie	1,6 x 1015 km2
Gravedad en la superficie	9,73 m/s2 = .992 G

 

Analizando estos datos es evidente que la superficie total del anillo es bastante menor que la de la esfera (aproximadamente 50 veces menor) pero aun así es 2000000 de veces mayor que la superficie de la Tierra. Además el ancho del anillo es 100 veces menor que su radio (prácticamente despreciable), es decir que es mas exactamente un anillo que una cinta. La velocidad angular necesaria para lograr una gravedad similar a la terrestre es 7.8 x 10^-6 1/seg, parece muy pequeña pero corresponde a un velocidad tangencial de 1200 km/seg (esta es la velocidad a la viajaría la gente parada en la superficie del anillo). Se evita que la atmósfera escape del anillo mediante paredes en los bordes que imitan a una cordillera montañosa y que tendrían unos 1600 km de altura.

¿Cómo lograr que haya días y noches? Niven lo soluciona mediante grandes rectángulos opacos, las "pantallas de sombra", que unidas por cables orbitan por encima de la superficie del anillo.

El material de construcción del anillo debe ser sin duda tan resistente como el de la esfera. En la novela este material se llama Scrith, se supone que es muy denso y con una resistencia a la tensión del orden de las fuerzas nucleares.

Por supuesto, no todo es ideal, el anillo también es inestable y de hecho posee inestabilidades mas fundamentales que la esfera. Resulta ser, de hecho, dinámicamente inestable, es decir, una apartamiento del equilibrio produce fuerzas que tienden a apartarlo aun mas (si se anima vea estabilidad del mundo anillo). La solución propuesta por Niven para este problema consta de una serie de ramjet colocados en los bordes del anillo que se activarían automaticamente al producirse cualquier desequilibro. El ramjet es un sistema propuesto por Bussard hace algunos años como alternativa para la propulsión de naves espaciales interestelares. La idea es captar las partículas que existen en cualquier lugar del espacio mediante un enorme plato colector que estaría en la parte delantera del vehículo y acelerarlas con campos magneticos para que salgan por detrás de la nave logrando de este modo el impulso buscado. En el caso del mundo anillo se utilizaría el viento solar como fuente de partículas redirigiendolas aceleradas hacia donde fuera conveniente.

Representación del Mundo Anillo de Larry Niven, creada por el artista Jerry Potts

¿Será posible crear objetos como estos?. En general existen dos tipos de problemas: los de ingeniería y los teoricos. Un problema de ingeniería es aquel donde la solución no requiere cambiar las ideas existentes sino solo aplicar el ingenio. Un problema teorico, en cambio, requiere el replanteo de una teoría o la creación de una nueva para su solución. Por ejemplo crear materiales mas resistentes es un problema de ingeniería, no es en absoluto inconcebible que en cincuenta o cien años existan materiales cien o mil veces mas duros y resistentes que los que existen hoy (me extrañaría bastante que no fuera así). La tecnología para viajar por el espacio a velocidades proximas a la de la luz existe, creo que si se pusiera a trabajar a un grupo de gente ingeniosa en el tema no tardarían mucho en resolver los problemas que pudieran surgir, si esto no se hace es probablemente por motivos económicos. Pero, si planteáramos a ese mismo grupo el problema de la generación de campos gravitatorios o el de la antigravedad o como viajar a velocidades mayores que la de la luz, no hay ninguna garantía de que puedan hallar alguna solución. Esta clase de problemas hunden sus raíces en la teoría existente. Cuando hablamos de esferas de Dyson o mundos anillo tenemos que referirnos a destrucción de planetas completos, manipulación de objetos del tamaño de orbitas planetarias y otras cosas en una escala tan gigantesca que es difícil imaginar. Pero en última instancia es un problema de escala. Realmente creo que la respuesta a la pregunta que inició este parrafo es sí, creo que en el futuro (¿mil, diez mil años...?), si sobrevivimos, nuestros descendientes contruirán y vivirán en esferas o anillos... o quizas construyan cosas que ni siquiera podemos imaginar hoy.