Los motores «hyperdrive» de Star Wars

En la Enciclopedia de Star Wars se dice que los motores «hyperdrive» están alimentados por generadores de fusión. La fusión libera una pequeña cantidad (menos del 1%) de la energía confinada en el hidrógeno según la fórmula E=mc², que puede impulsar los núcleos de helio resultantes en la parte trasera de la nave espacial a velocidades muy altas. La fusión de un gramo de combustible de hidrógeno puede proporcionar tanta energía como 20 mil litros de gasolina. Sin embargo, la ecuación del cohete de Tsiolkovski nos dice que para acelerar la nave a la velocidad de los gases de escape se necesitan 1,7 veces la masa de la nave en combustible; con esta cantidad un cohete químico sólo puede alcanzar 0,000015 veces la velocidad de la luz (c), mientras que uno de fusión podría llegar a 0,05 c. Si se quisiera acelerar la nave a dos veces la velocidad de los gases de escape se necesitaría 6,4 veces la masa de la nave en combustible y utilizando fusión sólo se alcanzaría una velocidad de 0,1 c. Para alcanzar una velocidad de 0,2 c se necesitarían 57 veces la masa de la nave en combustible. Acercamos aún más a la velocidad de la luz se hace inviable usando un motor «hyperdrive» de fusión. Los interesados en más detalles técnicos disfrutarán con Robert H. Frisbee (JPL, CalTech), «Advanced Space Propulsion for the 21st Century,» Journal of Propulsion and Power 19: 1129-1154, 2003 [pdf gratis].

La verdadera ciencia de la película «Ángeles y Demonios»

A la mayoría de la gente no le interesa la ciencia ni las noticias científicas, salvo cuando se estrena una película que utiliza algo científico como excusa. Entonces, todo el mundo está «mágicamente» interesado en la ciencia de la película y en la posible ciencia «verdadera» detrás de dicha ciencia de película. En «Ángeles y Demonios,» Dan Brown (antes conocido por «El Código Da Vinci») utiliza la antimateria producida en el LHC del CERN como arma terrorrista contra el Vaticano. Hay muchísimos artículos sobre el tema en la web. Escojamos uno y veamos qué dice.  Paul Preuss, «Angels, demons, and antihydrogen: The real science of anti-atoms,» Berkeley Lab’s News Center, May 5, 2009. ¿Por qué este? Parece que ha gustado a muchos.

Tom Hanks en «Ángeles y Demonios» debe descubrir una bomba hecha de antimateria (según Brown “la última fuente de energía”) antes de que destruya al Vaticano. La antimateria ¡uy, qué miedo! La antimateria se conoce experimentalmente desde 1933. Nos rodea por todas partes y en todo momento (en los rayos cósmicos que inciden sobre la atmósfera, en los escáner tipo PET (tomografía por emisión de positones) de los hospitales, y en trazas de materiales radioactivos en muchos materiales que nos rodean). ¿Por qué no lo notamos? Porque la vida media de las partículas de antimateria es corta. Pronto encuentran una partícula de materia y se aniquilan mutuamente. Estas aniquilaciones raras veces generan energía suficiente para que las notemos. Se requiere para ello instrumental de alta tecnología, como en los escáneres PET.

La antimateria son antielectrones (positones), antiprotones y muchas otras antipartículas (algunas partículas son iguales a su antipartícula), pero también hay antiátomos: la colaboración internacional ALPHA (Antihydrogen Laser Physics Apparatus) del CERN lleva fabricando antihidrógenos, un positón orbitando un antiprotón, desde hace varios años. La antimateria se aniquila con la materia produciendo energía. ¿Cuánta energía? Mucha, un miligramo de antimateria produciría el equivalente a 43 toneladas métricas de TNT. El problema es que para generar dicha cantidad de antimateria es necesaria muchísima más energía, una cantidad demasiado grande para que sea factible fabricar un miligramo. 

¿Para qué fabrican los físicos antihidrógeno? Para estudiar la posible violación de ciertos «sacrosantos» de la física de partículas, como la invarianza CPT (las leyes de la física de partículas compatibles con la relatividad de Einstein exigen que cambiar las cargas de todas las partículas, invertir el sentido del tiempo y mirar el proceso en un espejo no afecte a dicho proceso físico). La invarianza CP es violada por ciertos procesos físicos (interacciones electrodébiles). Hasta el momento, la invarianza CPT parece inviolable. El antihidrógeno también se está utilizado para verificar si la gravedad afecta en igual medida a los átomos y a los antiátomos.

¿Cuántos antihidrógenos se fabrican actualmente en la colaboración ALPHA del CERN? Antes de 2002 sólo se habían fabricado unos cientos de antihidrógenos en todo el mundo (en el CERN y en el Fermilab). Actualmente ALPHA y otro experimento parecido, ATRAP, han fabricado cientos de millones de antihidrógenos. La receta para fabricar, pongamos, mil antihidrógenos (el antiátomo más simple) es sencilla: tómense dos mil antiprotones y enfríense a unos pocos grados Kelvin sobre el cero absoluto; repítase la misma operación con dos mil antipositones; seguidamente mézclense en una trampa (magnética) de átomos, manteniendo la baja temperatura; casi mil antihidrógenos se formarán «espontáneamente.» Parece fácil. Obviamente, no lo es y está al alcance de pocos en el mundo. El experimento ALPHA, en 2008, es capaz de almacenar en una trampa magnética hasta 20 millones de antiátomos (se van añadiendo antiátomos a la trampa en fases sucesivas mediante un procedimiento cíclico).

Cientos de millones de átomos de antihidrógeno parecen muchos pero ¿cuánto pesan en gramos? Recuerda el antihidrógeno pesa lo mismo que el hidrógeno. ¿Cuántos átomos de hidrógeno hay en un miligramo? Omitiré los cálculos, por otro lado triviales si se conoce el valor del número de Avogadro. En cualquier caso, lo repito, hoy por hoy es imposible fabricar un miligramo de antihidrógeno en el CERN.