La Ciencia de Prometeo: el proceso de Penrose y la Energía definitiva (I)

Ilustración del proceso de Penrose en una ciudad construida alrededor de un agujero negro (Crédito: dynamicscience.com)

Publicar una novela de ciencia-ficción dura en la era de los blogs tiene la ventaja de que el autor puede desgranar en este medio las vicisitudes y la verosimilitud de la ciencia y tecnología que aparecen en su narración, en la esperanza de que a sus lectores se les antoje tan apasionante como a él mismo le resulta.

Comenzamos así esta sección, en la que nos ocuparemos poco a poco de la ciencia de “El Legado de Prometeo”, novela que Iniciativa Mercurio me publica a principios de 2012. Y lo hacemos con las siguientes preguntas:

¿Cuál es la fuente de energía más eficiente? ¿Y la más renovable? ¿Y la más limpia?

La respuesta a las tres preguntas es, sorprendentemente, la misma. Dejen que me explique.

La fisión nuclear es la forma más eficiente de generar energía que somos capaces de manejar hoy en día. ¿Cómo de eficiente? Bien, la ecuación más famosa de Einstein, E=mc2, relaciona materia con energía, (ambas caras de una misma moneda). En concreto, nos dice la cantidad de energía que la materia encierra por el mero hecho de ser materia —energía en reposo, solemos decir.

Así, la energía generada en la desintegración de un átomo de Uranio se produce a expensas de una pequeñísima parte de su masa: al ser bombardeado por neutrones, el núcleo original de Uranio se rompe en dos  núcleos más ligeros, expulsa 2 ó 3 neutrones que contribuyen a activar la desintegración de sus vecinos, emite radiación γ, peligrosísima, y además produce calor, que nosotros aprovechamos para calentar agua y hacerla mover las turbinas a las que tenemos conectada nuestra dinamo eléctrica.

Ahora, si dividimos la energía generada entre la energía en reposo del átomo original de Uranio tendremos la eficiencia de la fisión nuclear: de cada átomo de Uranio, aprovechamos energéticamente el 0,1% (en realidad, ligeramente menos: no he tenido en cuenta pérdidas en la conversión de energía calorífica a mecánica). Y los residuos no sólo no nos sirven para nada, sino que son radioactivo y ni siquiera sabemos cómo deshacernos de ellos de manera segura y duradera.

0,1%. Esto es lo más que podemos obtener actualmente. La fusión nuclear que se produce en el núcleo de las estrellas —la construcción de elementos pesados a partir de otros más ligeros—, y para la que quedan 20 años desde hace 50, mejoraría la eficiencia hasta un flamante 0,75%, con la ventaja añadida de que los residuos no serían radioactivos.

¿No se puede mejorar eso? Pues sí, si dispusiésemos de antimateria, podríamos juntarla con materia “normal” para que se aniquilasen mutuamente y aprovechar la energía generada en la reacción. ¿Con qué eficiencia? Pues un 100%, ni más ni menos. Toda la energía contenida en la materia —y en la antimateria— que empleáramos como “combustible”. El problema es que producir cantidades ridículas de antimateria es absurdamente caro (se necesitan aceleradores de partículas gigantescos).

El Doctor Emmett "Doc" Brown alimentando de basura orgánica (cáscaras de plátano y cerveza) el motor del Delorean en Regreso al Futuro II.

¿Desesperanzador? No se entristezca: ¿y si le dijera que hay una fuente de energía aún mejor y mucho más barata a largo plazo? Una fuente de energía que aprovecharía, no el 100% de la energía contenida en el “combustible”, sino una cantidad aún mayor. Sí. Sin violar el principio de conservación de la energía. Una fuente de energía que, a efectos prácticos, se trataría de la energía más renovable que existe, más que la eólica, que durará lo que la Tierra; más que la solar, incluso, que morirá con el Sol, cuando su nebulosa planetaria finalmente se apague. Una fuente de energía tan limpia que podría usar cualquier basura, deshechos radioactivos inclusive, como combustible. True story.

Todo lo que necesitamos es un agujero negro en rotación (o sea, cualquier agujero negro estelar, que sepamos).

No me he vuelto loco, no, ni voy a venderles mi “revolucionario invento cuántico”. Estoy hablando del Proceso de Penrose, que Roger Penrose propuso a finales de los 60 del s.XX. La publicidad podría rezar: ¡Tire su basura a un agujero negro y obtenga cantidades ingentes de energía a cambio!

Diagrama del proceso de Penrose. La cápsula bordea el agujero negro por detrás y tira la basura en el punto más cercano, volviendo a la nave con mucha más energía (visto en guidetothecosmos.com)

¿Cómo? Imaginemos una nave espacial en una órbita estable alrededor del agujero —o una ciudad cinturón a su alrededor, da lo mismo—. Mediante un raíl de aceleración magnética —parecido al de los trenes de levitación magnética—, la nave dispara una cápsula con basura en su interior en dirección al agujero negro. No de frente, pues no queremos que sea devorada por éste, sino en una trayectoria rasante que rodee el agujero por detrás y vuelva al encuentro con la nave, donde será recogida por el mismo raíl electromagnético que la disparó y que convertirá (parte de) su energía cinética en electricidad.

Un agujero negro en rotación posee una zona llamada ergosfera capaz de obligar a todo objeto a girar junto con el agujero negro (visto en wikipedia).

Hasta ahí, todo normal. Pero atención: si la trayectoria es lo suficientemente rasante como para que la cápsula se adentre en la ergosfera del agujero —una zona con forma de lenteja situada fuera del horizonte de sucesos, donde el mismísimo tejido espacio-temporal se retuerce, forzado a girar junto con el agujero—, y la cápsula abre su compuerta en el momento de máxima aproximación y expulsa la basura hacia el agujero, entonces, regresará a la nave con una energía cinética —y por tanto una velocidad— mucho mayor que aquella con la que partió.

¿Cómo de mayor? Pues la que llevaba, más el 100% de la energía en reposo contenida en la basura que tira, más una cantidad extra de energía.

¿Pero eso no viola el principio de conservación de la energía? Pues no. La energía extra que ganamos no se genera espontáneamente. Sale del único sitio del que puede salir: del agujero negro. Concretamente, de su energía de rotación. En efecto, el proceso de Penrose, en esencia, consiste en extraer energía de un agujero negro.

El proceso de Penrose aparece en el relato "Pilot" de Stephen Baxter, en el libro de la ilustración. Allí consiguen acelerar enormemente una nave usando el agujero negro como honda y robándole la energía de rotación (visto gracias a @EDocet)

Por supuesto, semejante gesta de proporciones Prometéicas, aunque se trata de una idea absolutamente rigurosa, pertenece por ahora al ámbito de la ciencia-ficción. No en vano la uso como eje central de “El Legado de Prometeo” y la detallaré en mayor medida en una próxima entrada de esta sección. Así que si le pica la curiosidad, ¡permanezca atento a su pantalla!

(Con esta entrada participo en el IV carnaval de tecnología, hospedado por el blog Eureka)

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Acerca de Miguel Santander

Tras el Horizonte de Sucesos
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15 respuestas a La Ciencia de Prometeo: el proceso de Penrose y la Energía definitiva (I)

  1. Pingback: La Ciencia de Prometeo: el proceso de Penrose y la Energía definitiva

  2. Pingback: Enlaces yuriesféricos del 25/11/2011 | La Yuriesfera

  3. ikki dijo:

    ¡me encaaantaaaa cómo te explicas!

  4. 45cr Charlie dijo:

    Bueno, parece una locura esto, porque es algo que se puede estimar su aplicaciòn en un futuro muy remoto, cuando la tecnologìa asì lo permita y cuando la navegaciòn aeroespacial adquiera otros impulsos, que permita desplazarse a mayores velocidades, donde ciertas distancias ya no sean un impedimento, y donde se haya vencido el problema de la ingravidez, que permita una mayor permanencia del hombre en el espacio.

    • Desde luego. Es una locura, pero una locura asombrosamente plausible. Habría muchas dificultades que solventar, que ahora o en el futuro imaginable nos parecen casi imposibles, pero… ¡quién sabe! Quizás dentro de un par de miles de años…

  5. 45cr Charlie dijo:

    Todo es posible, no se puede descartar nada, y para muestra nomàs hay que ver las divagaciones de Julio Verne en su tiempo y ahora.

  6. Pingback: La ciencia de Prometeo: el proceso de Penrose (II), en la revista Amazings | Tras el horizonte de sucesos

  7. gabitik dijo:

    YO SIEMPRE ESCUCHADO EN MI CABEZA LA PALABRA VACUUMMMM VACUUMMM PERO NO SE XQ… E AQUI Q BUSCO EXPLICACIONES DONDE SEA…… DESPUES DE ESO VIENEN IMAGINES FANTASTICAS HACIA MI….. ES RARO HABECES SIENTO Q NO FUERA DE AQUI SI ALGUIEN ME ENTIEND…. PUES ESCRIBANME GRACIAS

  8. Ununcuadio dijo:

    Hola! Genial!, no se me había ocurrido… Pero, por lo que sigo en el blog de Eureka una nave espacial (por lo menos en cuanto a combustible) no es muy sostenible que digamos. Ya no solo entro en las dificultades de la idea en sí, sino cómo aplicarlas de manera sostenible…

    • Bien pensado… La única nave espacial que podría usarse, al menos en un futuro razonable, sería una con motores de iones, como ya hay alguna sonda: la aceleración es minúscula, pero constante durante mucho, mucho tiempo. Así, pasito a pasito, se puede alcanzar gran velocidad, y llegar en un tiempo razonable.

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