Anillos de Niven y esferas de Dyson. Parte II

En la entrada anterior escribí acerca de una hipotética estructura artificial de tamaño colosal llamado anillo de Niven. Larry Niven ideó este tipo de construcción para su novela Mundo Anillo inspirándose en otra estructura aún mayor, imaginada por el genial físico teórico Freeman Dyson: la esfera de Dyson.

Una esfera de Dyson, como se puede uno imaginar si ha leído el post anterior, es una gigantesca esfera artificial cuyo radio sería del orden de una unidad astronómica y que rodearía a una estrella. El objetivo es aprovechar la mayor cantidad de energía de posible de la estrella central.

Dyson propuso su idea en un artículo titulado "Search for Artificial Stellar Sources of Infrared Radiation", en el que explicaba cómo una esfera de ese tipo podría ser algo a lo que toda civilización suficientemente dearrollada tendiese a largo plazo. La esfera que Dyson sugería no era una estructura sólida, como en el caso del anillo de Niven, sino un conjunto enormemente numeroso de elementos independientes. De esta forma no hay problemas con la estabilidad gravitatoria del sistema ni con la resistencia de los materiales utilizados. A pesar de ello la idea de una esfera sólida de semejante tamaño cautivó a algunos autores de ciencia-ficción, que no se dejaron amedrentar por las leyes físicas.

Una forma "realista" de construir una esfera es la llamada "enjambre de Dyson". En este caso los elementos, como los satélites artificiales alrededor de la Tierra, se mantendrían en órbitas individuales alrededor de la estrella. Un conjunto de ellos formaría un anillo circular, otro conjunto formaría otro anillo con un ángulo ligeramente diferente y así sucesivamente, hasta formar una esfera.


El gran problema del enjambre sería la coordinación de las construcciones para evitar choques y ocultaciones entre ellas. Además, cuantos más elementos existan en órbita, mayores serán las perturbaciones gravitatorias entre ellos, perturbaciones que tenderían a desbaratar todo el sistema de órbitas.

Otra forma de construir la esfera, y mi favorita, sería haciendo que cada elemento se sustenga por si mismo, manteniéndose en su posición de forma estática, sin orbitar en torno a la estrella. Esto podría hacerse aprovechando la presión de radiación.


Cada elemento sería una especie de velero con una gran superficie y una masa muy reducida. De este modo se podría lograr que la presión ejercida por la luz y el viento "solar" lo empujen hacia fuera con la misma intensidad con que la gravedad lo atrae hacia adentro. El empuje de la radiación es muy pequeño, por lo que la masa del velero por unidad de superficie tendría que ser muy pequeña, del orden de 0.78 g por metro cuadrado. No existe ningún material tan ligero, pero no parece haber ningún tipo de impedimento físico para lograrlo. Por ejemplo, se ha sugerido que podría ser posible la fabricación de mallas a base de nanotubos de carbono cuya densidad superficial sería menor a 0.1 g por metro cuadrado. Claro que no todo serían velas. Harían falta mástiles para soportarlas y dirigir la tensión, y sobretodo, habría que tener en cuenta la masa de la carga útil. Para sustentar un pequeño peso haría falta una enorme superficie de velas.

Una de las conclusiones a las que Freeman Dyson llegó fue que una esfera que englobe a una estrella, no importa cómo esté construida, reemitiría parte de la radiación absorbida en forma de infrarrojos. La radiación, además, presentaría el espectro de emisión de un cuerpo negro a una temperatura de unos 300 grados Kelvin. Es un resultado muy interesante, porque una esfera tan grande emitiendo en infrarrojos puede observarse desde muchos miles de años luz de distancia. Se han realizado y se siguen realizando investigaciones serias cuyo objetivo es localizar posibles esferas de Dyson.

Lo mejor de todo es que se han encontrado objetos cuyas características parecen corresponder con las esperadas para una esfera de Dyson. Sólo de pensar en las implicaciones de un resultado así hace que a uno se le pongan los pelos de punta, ¿no?. De todas formas no hay que dejarse llevar, ya que pueden existir explicaciones naturales para los fenómenos observados. Por ejemplo, una nebulosa oscura y densa rodeando una estrella podría emitir con una distribución de radiación infrarroja similar a la de una esfera de Dyson.
Coninua...

Anillos de Niven y esferas de Dyson. Parte I

En 1970 Larry Niven publica "Mundo anillo", una obra de ciencia ficción, ya convertida en clásico, que ha cautivado como pocas otras la imaginación de varias generaciones de lectores. En su libro Niven describe una estructura artificial de proporciones colosales, casi inimaginables, conocida ahora como "anillo de Niven".

Un anillo de Niven es el resultado de la desesperación de una raza extraterrestre con un enorme desarrollo tecnológico por aumentar su espacio vital, como consecuencia de la superpoblación que existía en su planeta natal. La idea es construir una estructura que abarque toda la órbita del planeta alrededor de su estrella. Un anillo con una cara plana, habitable, mirando hacia dentro y cuyo radio sería el idóneo para recibir la cantidad justa de energía de la estrella. La aceleración centrípeta producida por la rotación del anillo sustituiría a la aceleración gravitatoria.


Niven describe el anillo de su novela como un paraíso desde el punto de vista humano. Así, la estrella central es de tipo espectral G3 (el Sol es de tipo G2, muy parecido), el radio del anillo es de aproximadamente una unidad astronómica y la "fuerza de la gravedad" es 0.992 veces la terrestre. Unas enormes cordilleras de 1600 kilómetros de altura en los bordes del anillo retienen los gases de la atmósfera, evitando que se dispersen hacia el vacío del espacio. Además, los períodos de luz y oscuridad son producidos por otro anillo interior formado por placas separadas entre sí que proyectan su sombra en el anillo principal. La rotación diferencial de los dos anillos produce una secuencia periódica de intervalos de sombra y luz que actuaría como los días y las noches terrestres.

No es fácil hacerse una idea de las dimensiones de una estructura así. Está alejada en muchos órdenes de magnitud de las escalas a la que nos movemos las personas. Haciendo cálculos resulta que la circunferencia total sería de unos 970 millones de kilómetros. Eso son unos 54 minutos-luz. Las comunicaciones entre dos puntos opuestos del anillo serían realmente lentas. La superficie habitable del anillo, teniendo en cuenta la anchura de 1600000 Km descrita por Niven, sería de unos 3 millones de veces la de la Tierra. Suficiente para vivir cómodamente y sin apreturas, diría yo.

Pero aparte de las dificultades obvias de carácter práctico que acarrearía su construcción, resulta que un anillo de Niven no es una estructura físicamente posible, al menos según los conocimientos actuales. Para empezar, la tensión que debería soportar el material del que está construido el anillo sería del orden de la interacción nuclear fuerte, que es la que mantiene unidos los neutrones y protones dentro del núcleo de los átomos. No se conoce ningún material ni remotamente parecido, y no hay muchas posibilidades de que algún día se pueda conseguir. Por otro lado está el problema de la inestabilidad gravitatoria. El anillo, como hicieron saber algunos físicos del MIT (aunque no hace falta ser físico para calcularlo), no se mantendría en su posición por sí solo, ya que la tracción gravitatoria de la estrella central tiraría de él con la misma intensidad en cualquier dirección.

Es una lástima que una estructura así no pueda existir, pero eso no quiere decir que no podamos disfrutar imaginándola. Para eso están las novelas de ciencia-ficción. Además, nunca se sabe cuántas cosas nos quedan por descubrir. Como dice la tercera ley de Clarke: "cualquier tecnología suficientemente avanzada es indistinguible de la magia".

Y ya puestos a no reparar en las limitaciones de la tecnología actual, vamos a dar una vuelta de tuerca más. El anillo de Niven es una obra de ingeniería imponente, pero tiene un hermano mayor: la esfera de Dyson. Hablaré de ella en la siguiente entrada.
Coninua...

Star Trek al ritmo de los Monty Python

Aquellos que, como yo y muchos otros, consideren a los Monty Python el mejor grupo cómico de la historia documentada sabrán apreciar el siguiente video. Y mucho más, claro, si además son fans de Star Trek.
La canción de Camelot (Knights of the Round Table) interpretada por la tripulación de la USS Enterprise:


Y de regalo, otra versión de la misma canción, pero esta vez interpretada por figuras de Lego:

Coninua...

Luz polarizada III: Stress

En una entrada anterior he hablado sobre una característica particular de algunos materiales llamada birrefringencia, que hace que la luz que lo atraviesa se descomponga en dos haces polarizados perpendicularmente entre sí. He mencionado también un mineral llamado espato de Islandia que tiene esa propiedad. Es un ejemplo de material que posee birrefringencia intrínseca, ya que ésta se debe a la propia composición del cristal. Pero esa no es la única forma de que un material sea birrefringente. Existe también la birrefringencia por tensión (stress birefringence), que se produce en algunos materiales al ser sometidos a fuerzas externas que causan una deformación en ellos.


Existe una forma sencilla de observar este efecto. Para ello necesitamos una fuente de luz polarizada que proporcione un fondo blanco y un filtro polarizador, a través del cual observaremos. No parecen cosas sencillas de conseguir, pero lo son. Ya he comentado que un filtro polarizador puede obtenerse de un viejo display LCD (incluso el de un reloj digital de pulsera). También sirven unas gafas de sol polarizadas, o un filtro de fotografía. Incluso podemos comprar láminas de gran tamaño. La fuente de luz polarizada es aún más fácil de conseguir, ya que probablemente la tengas delante ahora mismo: un monitor LCD o TFT. Por su propio principio de funcionamiento, la luz que emerge de un monitor o un televisor LCD está fuertemente polarizada. Puedes comprobarlo girando un filtro polarizador frente a uno de ellos.


Ahora necesitamos algún material que posea la rara cualidad de ser birrefringente al ser sometido a deformación. Eso sí que suena más difícil de conseguir. Pues no. Nos sirve cualquier objeto de plástico transparente. Una botella de Coca-cola, una bolsa, el envase de 50 DVDs para grabar todo lo que bajas con eMule... vamos, casi cualquier cosa transparente que tengas a mano. Mirando hacia el monitor LCD a través del filtro polarizador y situando el objeto a observar entre ellos, puedes observar cómo aparecen zonas de colores en toda su superficie que indican el grado de deformación al que fue sometido el material.

La siguiente fotografía muestra las bandas de color que aparecen en un envase de polipropileno para almacenar CDs. ¿Que por qué sé que está hecho de polipropileno?. Pues por su código de identificación de material reciclable.


Este tipo de objetos son fabricados mediante moldes y a gran velocidad, lo que hace que durante el proceso queden sometidos a fuertes tensiones internas que quedan "congeladas" en el material a través de la orientación de sus moléculas. Eso produce anisotropías en la conducción de la luz, lo que da lugar a la birrefringencia. Un material con el que es muy fácil observar los efectos de la deformación es el film para envolver alimentos. En las siguientes imágenes vemos su aspecto antes y después de ser deformado. Tras la deformación aparecen nuevas zonas de color.


No sólo los materiales termoplásticos presentan birrefringencia por tensión. También los objetos de vidrio pueden "recordar" las deformaciones sufridas durante su fabricación. Aquí están mis gafas vistas a traves del polarizador:


Esta técnica es usada industrialmente para analizar y medir tensiones en objetos. Esto es sencillo si se sabe qué color corresponde a qué tensión. El gráfico de birrefringencia de Michel-Levy es muy útil para ello. Dado un material de espesor conocido, podemos obtener su birrefringencia (denotada como n1-n2, la diferencia entre sus dos índices de refracción) en función de la longitud de onda del color que veamos en cada punto de su superficie. El valor de la birrefringencia depende de la tensión a la que haya sido sometido el material.


Vemos que los colores que aparecen en el material son los del espectro luminoso, lo que indica que la birrefringencia, junto con la refracción o la difracción, es otro de los fenómenos que pueden producir la descomposición de la luz en sus longitudes de onda individuales. La explicación de por qué ocurre esto me la ahorraré, porque el post es ya demasiado largo. Quien tenga interés por llegar más al fondo del asunto puede encontrar una buena explicación en esta página. Siento que esté en inglés.
Coninua...

Teléfonos móviles y gasolineras

¿Puede un teléfono móvil producir una explosión en una gasolinera?. No hay evidencias de que se haya producido nunca, pero la posibilidad, aunque remota, existe. El siguiente vídeo muestra un experimento que cualquiera puede probar en su casa.

¿Por qué ocurre esto?. La radiación de microondas que emite un móvil durante una llamada induce tensiones y corrientes eléctricas en los materiales conductores que se encuentren cerca. Si las tensiones son lo suficientemente elevadas y el conductor tiene la forma adecuada, se podría producir en él una chispa que encienda el combustible. Una bola de papel de aluminio tiene muchos pliegues, de distintas formas y dimensiones, por lo que las posibilidades de que en uno de ellos se producta una chispa son mucho mayores que en otras piezas metálicas de geometría más sencilla. Coninua...

Luz polarizada II: Los vikingos y la piedra solar

"Un barco vikingo se retrasa en su vuelta a casa desde las tierras del lejano Oeste, recientemente descubiertas. El invierno está a la vuelta de la esquina y el tiempo pronto se hará desapacible. Es imprescindible que el timonel mantenga el rumbo hacia el Este. ¿Pero dónde exactamente está el hogar?. El cielo va nublándose más cada día que pasa. La mayor parte de las noches las estrellas no son visibles, e incluso durante el día el sol es difícil de contemplar. La luz del día dura poco y la mayor parte del tiempo el sol ilumina el cielo desde algún lugar por debajo del horizonte. Colgando de lo alto del mástil del barco, un marinero entorna los ojos buscando sin resultado pistas en el brillo de las nubes. Entonces, Leif el Afortunado señala un claro entre las nubes, rebusca en la bolsa que lleva a la cintura y saca su piedra solar. A través del cristal observa la pequeña mancha azul del cielo. Gira la piedra hasta que se torna amarilla y grita hacia el timonel con el brazo estirado apuntando hacia estribor, hacia casa."
Traducido de aquí.

Nadie sabe cómo los vikingos eran capaces de navegar durante días a través de mar abierto recorriendo tan grandes distancias, sobretodo teniendo en cuenta que no conocían la brújula. Una teoría dice que utilizaban un tipo de mineral, llamado piedra solar, que tenía unas curiosas propiedades ópticas. Algunas sagas, como la de Hrafns, parecen mencionar cómo dirigían uno de estos cristales hacia el cielo para orientarse, aunque no entran en mucho detalle al respecto. Actualmente se conocen algunos minerales con propiedades que podrían explicar esta teoría. La propiedad óptica clave se denomina birrefringencia.

Un material birrefringente es aquel en el que la luz refractada se desdobla en dos haces. El ejemplo más típico de mineral con esta propiedad es un tipo de calcita llamado espato de Islandia. En Wikipedia he encontrado esta imagen en la que se aprecia perfectamente el desdoblamiento de una imagen al atravesar uno de estos cristales.


Esta bifurcación del camino que sigue la luz en el interior del cristal se debe a que éste es anisótropo, es decir, algunas de sus propiedades varían dependiendo de la dirección espacial que se tenga en cuenta. En concreto, la velocidad de la luz al atravesar el material (que, a su vez, depende de una propiedad llamada constante dieléctrica) es diferente en cada uno de los ejes cristalográficos de éste. El ángulo en el que un haz de luz se refracta al penetrar o salir de un material depende de la diferencia que existe entre la velocidad de la luz en el material y en el entorno que lo rodea (el aire, en este caso). Esto es lo que hace que el rayo se desdoble en dos, uno "rápido" y otro "lento". Pero además, y aquí viene la parte más interesante, cada uno de estos rayos emerge del cristal polarizado con un ángulo diferente, formando 90 grados entre ellos.

Pero ¿qué tiene todo esto que ver con el asunto de los vikingos?. Pues mucho, porque resulta que el cielo está polarizado, debido a la forma en la que las moléculas de la atmósfera difunden la luz del sol. He hecho un par de fotografías para observar este efecto, la primera "normal" y la segunda con un filtro polarizador frente al objetivo de la cámara, orientado de forma que el cambio en la tonalidad del cielo sea máxima.


Se puede apreciar cómo aparece una zona en el cielo con tonalidad más oscura y con orientación vertical. En realidad, esta dirección depende de la orientación del sol. La zona polarizada forma un gran arco que corta la esfera celeste mediante un plano imaginario perpendicular a la línea que apunta desde el observador hacia el sol. Vamos, que si el sol está en el horizonte, el arco de luz polarizada pasa justo por encima de nuestra cabeza.


Además, el plano de polarización de la luz del cielo siempre es perpendicular a la dirección del sol. Un vikingo podría haber usado su piedra solar como filtro polarizador para buscar el ángulo de máxima polarización de esta franja, y de ahí averigurar la dirección del sol. Claro que para ello tendría que ser visible algún claro de cielo despejado, porque la polarización no es observable a través de las nubes. Y, aún así, lo único que obtendría sería la dirección en la que se encuentra el sol.

Aunque la leyenda de la piedra solar fuera cierta, hay que ser realmente muy buen navegante para regresar de Terranova a Islandia, con su ayuda o sin ella. Coninua...

Luz polarizada I: filtros polarizadores

Hace unos cuantos años se pusieron de moda unas pequeñas maquinitas electrónicas de juegos. Tenían una pantalla de cristal líquido donde aparecía una sencilla animacion realizada con unas pocas siluetas estáticas. Usaban el mismo método con el que un reloj digital de pulsera representa los diferentes números. Todos en el colegio teníamos al menos una.

Cuando tuve ocasión de desmontar una de esas máquinas encontré dentro de ella un par de láminas plásticas con unas propiedades asombrosas: filtros polarizadores. Ya sabía que las pantallas LCD los utilizaban porque lo había leído en mi adorado libro "Cómo funcionan las cosas", pero una cosa era conocerlos y otra muy diferente verlos. Son dos pequeños rectángulos de un plástico de aspecto parecido al acetato.


Ahora es cuando toca soltar un pequeño rollo físico no demasiado riguroso para explicar el trasfondo del asunto. Allá va:

Un haz de luz es un conjunto de ondas electromagnéticas, cada una de ellas de cierta fase y frecuencia. Las ondas electromagnéticas son un tipo de onda transversal, lo que quiere decir que la alteración periódica que producen en el medio por el que se propagan se realiza en una dirección perpendicular a la dirección de avance. Algo parecido a la onda que se produce cuando rasgamos con una púa la cuerda de una guitarra: cada punto de la cuerda comienza a moverse periódicamente en un plano perpendicular al ella. Para simplificar, imaginemos que la cuerda oscila únicamente en una dirección, es decir, que no va describiendo pequeñas elipses al vibrar, como realmente ocurre.

Ahora imaginemos que colocamos una pieza con una pequeña rendija, de forma que la cuerda pase por ella. Como se ve en siguiente dibujo, la onda podrá atravesar la rendija sólo si su plano de vibración está alineado con ella.


Los guitarristas me dirán que esto no es del todo cierto, y con razón. La rendija sólo frenaría ciertos armónicos, debido a que la vibración en las cuerdas está formada por ondas estacionarias. Lo sé, el ejemplo es sólo aproximado, pero sirve para hacerse una idea.

Pues bien, un filtro polarizador hace algo parecido con las ondas electromagnéticas. Sólo deja pasar aquellas cuyo plano de oscilación (llamado ahora plano de polarización) tenga cierta orientación. Si un haz de luz no polarizado (es decir, compuesto por ondas electromagnéticas sin un plano de polarización preferente) incide sobre una de sus caras, por la otra cara saldrá un haz polarizado, ya que las ondas con orientación errónea habrán sido absorbidas por el filtro. A esto se le llama polarización por absorción selectiva. Si enfrentamos dos filtros cuyas orientaciones coincidan, dejarán pasar cierta cantidad de luz a su través, pero si giramos uno de ellos 90 grados respecto al otro, bloquearán prácticamente toda la luz (como se veía en la fotografía de los filtros de arriba).

¿Para qué sirven los filtros polarizadores? Aparte de su utilización para fabricar pantallas LCD, como ya comenté antes, seguramente ya conoces algunas aplicaciones más: para hacer gafas de sol, eliminar reflejos en fotografías, producir sensación de relieve en películas, medir la concentración de sustancias químicas, identificar minerales, analizar tensiones en materiales, y muchas otras cosas. Se sabe, además, que algunos animales son sensibles a la polarización de la luz y utilizan esta capacidad para orientarse. En una entrada posterior explicaré algo más sobre ello.

Para terminar este post me centraré en una de las aplicaciones más conocidas, que es la eliminación de reflejos al realizar una fotografía. Y es que resulta que la luz reflejada en una superficie pulida queda parcialmente polarizada en la dirección de la reflexión. Hay un cierto ángulo, llamado ángulo de Brewster, en el que la polarización es máxima. Entonces, si acoplamos un filtro polarizador al objetivo de una cámara y orientamos este adecuadamente, podremos eliminar reflejos molestos.

Para mostrar este efecto he realizado dos fotografías a mi iPod, una sin filtro polarizador (izquierda) y otra con él. La reducción de los reflejos en el iPod y en la mesa (ambas superficies son paralelas) resulta evidente.


Dedicaré algunos posts a comentar algunas cosas curiosas que se pueden hacer con luz polarizada. Éste ya me ha quedado demasiado largo. Coninua...

Chewacca reencarnado en un armario

Sé que no tiene nada que ver con ciencia ni tecnología, pero no he podido resistirme.
Que lo disfrutes.

Coninua...