EmDrive, el motor que nos hará volar gracias a la luz (si las leyes de la física le dejan)

Viajar por el espacio es muy complicado en comparación con lo poco que nos cuesta sobre la superficie terrestre. Si es tan fácil moverse por mundo es gracias a la fuerza más infravalorada que experimentamos en nuestro día a día: la fricción. Sin ella no podríamos impulsarnos hacia adelante para caminar, las ruedas de los coches darían vueltas silenciosamente sin mover el vehículo de su sitio y los aviones caerían del cielo, asumiendo que de alguna manera lograran despegar.

En el espacio, en cambio, no hay materia contra la que nos podamos apoyar. Sí, vale, si nos ponemos tiquismiquis, podemos decir que hay algunos átomos de hidrógeno por centímetro cuadrado, pero es una cantidad tan ridícula que no tenemos manera de aprovecharla para impulsarnos a través del vacío. Es por eso que si queremos desplazarnos por el cosmos, no nos queda más remedio que acudir al principio de acción y reacción de Newton: con toda acción ocurre siempre una reacción igual y contraria. O sea que a las naves espaciales no les queda más remedio que llevar encima un combustible que sale despedido en una dirección para ser propulsadas en la dirección contraria.

Este combustible puede ser líquido o sólido, pero el principio de funcionamiento en ambos casos es el mismo: el material libera una gran cantidad de gas y calor a través de alguna reacción química y el aumento de temperatura hace que el gas se expanda. Como al gas tan sólo se le ofrece una salida estrecha a través de la que disipar toda esa presión generada en el interior del tanque, se cuela a través del escape a gran velocidad y sale al exterior de la nave, empujándola en la dirección opuesta.

Luego están los motores de iones, bastante prometedores, porque básicamente funcionan con electricidad que ioniza un gas que hay en su interior. El gas, al ionizarse, se calienta, se expande y sale por el reactor, lo que propulsa la nave hacia adelante. Los motores de iones son capaces de generar grandes impulsos pero, de nuevo, necesitan ser lanzados al espacio con un gas que les sirva de combustible.

Cómo moverse cuando no queda combustible

Y ese es precisamente el problema: por muy buenos que sean nuestros motores, en su interior tan sólo cabe una cantidad finita de combustible y, por tanto, tarde o temprano se terminará, ya no podremos maniobrar... Y entonces nos esperará una larga temporada viajando en una línea recta que sólo se verá alterada por la influencia gravitatoria de algún cuerpo que flote por ahí.

Bueno, en realidad hay otro problema nada despreciable, y es que enviar un kilogramo de material al espacio cuesta unos cuantos miles de euros. Al final, mandar al espacio una nave que contiene el combustible necesario para un viaje largo te puede salir por un ojo de la cara.

Teniendo esto en cuenta, ¿no sería estupendo tener un vehículo que no dependiera de una reserva de combustible? ¿Algo que funcione con electricidad, fácilmente recargable con la energía del Sol o de cualquier otra estrella? ¡O a pedales desde el interior de la nave, da igual!

¿No sería estupendo tener un vehículo que no dependiera de una reserva de combustible? ¿Algo fácilmente recargable con la energía del Sol?

La idea sería buena, aunque no una solución tan sencilla como pueda parecer. Mirad a vuestro alrededor: las cosas que se mueven mediante electricidad son objetos mecánicos, totalmente inútiles en el espacio. La electricidad también se utiliza para calentar cosas y, con esa lógica, podríamos hasta cierto punto meterla en una nave y calentar algún gas para que se expandiera y saliera por el reactor. Pero estaríamos en el mismo caso que el motor de iones: tendríamos que llevar un reservorio de gas al espacio y, al final, estaríamos en las mismas.

¿Podemos usar la luz para impulsarnos?

Pero la electricidad también sirve para producir luz. Y otros tipos de radiación electromagnética, claro, como las ondas de radio o las microondas (hablaba del tema de las ondas aquí). ¿Y si pudiéramos utilizar la luz para propulsarnos?

Espera, espera- me diréis-. No estarás sugiriendo que empujemos nuestras naves espaciales con luz...¿no?

Lo creáis o no, la luz transfiere energía a las cosas (momento, para ser más técnicos) y esa energía se tiene que disipar de alguna manera. Una parte de esa energía se puede disipar generando un empuje minúsculo.

Pero, claro, ¿cómo empujas una nave con un rayo de luz? ¿Diriges un rayo láser contra ella desde la Tierra? El láser tendría que ser extremadamente potente para llegar hasta la nave con una intensidad suficiente como para afectar a su movimiento. ¿Se puede usar la luz del Sol para propulsarla? No es mala idea, ese concepto existe, pero a medida que te alejes del Sol tendrás una menor cantidad de luz a tu disposición para moverte y maniobrar empezará a ser complicado.

La idea del ingeniero RogerShawyer

Y entonces a un ingeniero aeronáutico británico llamado RogerShawyer se le ocurrió que lo ideal sería tener una fuente de microondas en el interior de nuestra nave, una fuente de propulsión que pudiéramos regular nosotros mismos cuando nos diera la gana y no dependiera de factores externos. E ideó un aparato para probar su hipótesis.

Su invento es un cono truncado hueco de metal, cuyo interior está conectado a un tubo por el que entra radiación de microondas. Las microondas son generadas desde un electroimán que, por supuesto, funciona con electricidad. Y ya está, nada más. No hay ningún combustible involucrado. Las ondas son el resultado directo de la corriente eléctrica que pasa por el electroimán.

Las ondas electromagnéticas, como la luz o las microondas, son oscilaciones en un campo eléctrico y magnético que van alternándose por el espacio de manera parecida a la que las ondas de alta y baja presión del sonido se propagan por el espacio (de las que hablaba en esta otra entrada).

Las ondas son enviadas al interior de este cono metálico y empiezan a rebotar entre los dos extremos planos de la estructura. Es en este fenómeno donde Sawyer dice haber encontrado la forma de propulsión perfecta.

Imaginemos que tenemos un tubo de un diámetro cualquiera pero que en su centro existe una sección con un diámetro menor. Si un flujo de agua con un caudal constante constante atraviesa este tubo, por fuerza el agua tiene que estar yendo más rápido durante la sección más pequeña del montaje.

Igual que un chorro de agua, la velocidad de las ondas electromagnéticas puede variar según la sección del lugar a través del cual se estén moviendo (en realidad, lo que cambia es su velocidad de grupo, algo más complicado, pero para simplificar intentemos imaginarlo así). Aunque en este caso el fenómeno ocurre del revés: las ondas se mueven más deprisa a través de secciones mayores.

A ojos de Sawyer, cuando las microondas entran en el cono empiezan a rebotar en su interior de un lado a otro. Hasta ahí todo bien. Durante estos rebotes, las ondas impactarán a una velocidad mayor contra la sección ancha del cono que contra la sección pequeña. Hasta ahí se puede seguir el razonamiento. Y, a partir de aquí, Sawyer sostiene que como un extremo del cono está siendo empujado con más fuerza que el otro, su aparato debería empezar a acelerar lentamente en la dirección en la que las ondas están golpeando con una mayor velocidad.

El invento funciona... si ignoramos una ley fundamental de la física

A priori, la idea no parece tan descabellada hasta que te das cuenta de que algo muy raro está pasando: de acuerdo con la ley de la conservación del momento de inercia, la fuerza que va en una dirección debería compensar la que va en la otra y, al final, el objeto no tendría que moverse hacia ningún lado. Por ejemplo, si estamos dentro de un coche pegándole puñetazos al volante, el vehículo no avanzará ni un milímetro porque cada vez que empujamos el volante nuestro cuerpo también se ve empujado hacia atrás, con lo que transferimos ese movimiento al asiento y, al final, las dos fuerzas se compensan y el coche permanece tan quieto como si no hubiéramos hecho nada.

Y es precisamente en esta ley donde se puede encontrar un fallo garrafal en el planteamiento del EmDrive, que está siendo muy criticado porque Shawyer hace como que esta ley no es aplicable a su invento.

Shawyer excluye de sus cálculos las paredes del cono porque dice que “si las fuerzas fueran el resultado mecánico de un fluido dentro del ensamblaje cerrado, entonces la fuerza resultante apenas induciría un esfuerzo mecánico en las paredes del ensamblaje” (lo dice en la página 4 de este documento). Lo que él dice es, básicamente, que tan sólo los dos extremos planos del cono notan el impacto de las ondas.

Y, desde luego, eso nunca puede ser verdad.

Cuando las ondas pasan de la sección grande a la sección pequeña, impactan contra las paredes del cono que, por el mero hecho de estar inclinadas, transferirán algo de fuerza en la dirección contraria al supuesto movimiento del aparato. Será poca, por supuesto, pero, en conjunto, la fuerza generada por las ondas que impactan constantemente contra toda la superficie de las paredes del cono compensará cualquier diferencia de fuerza entre la parte delantera y la trasera del aparato. De esta manera, las fuerzas quedarán equilibradas y el EmDrive se quedará quieto donde está.

El motor EmDrive crea polémica en internet

Y es posible que este sea uno de los motivos por los que Shawyer no ha sometido sus teorías al proceso de revisión por pares, un paso básico para averiguar la validez de cualquier investigación que consiste en dejar que tu trabajo sea sometido al escrutinio de otros investigadores. Lo único que ha hecho Shawyer ha sido colgar un PDF en su página web con algunas fórmulas y conseguir que publicaran su idea en la revista New Scientist, una publicación que parece dejarse llevar de vez en cuando por la emoción y recurrir al sensacionalismo.

Aun así, sus resultados están sembrando la polémica en la red.

Aunque hemos visto que resulta imposible generar una fuerza en cualquier dirección con este montaje, Shawyer dice que en sus primeros experimentos, en 2001, observó un empuje de 0.016 Newtons en el cono usando una potencia eléctrica de 850 wattios (W). Para poner la cifra en perspectiva, es la fuerza generada por 1.6 gramos de materia bajo la atracción gravitatoria de nuestro planeta.

En 2010, un equipo chino de investigadores de la Universidad Politécnica del Noroeste afirmó haber confirmado la teoría tras el EmDrive después de producir 0,75N de fuerza usando 2500W de potencia. Proporcionalmente es una cifra mayor a la que consiguió Shawyer, aunque dejaron claro que sus resultados eran preliminares.

Pero, en 2014, un par de investigadores de la NASA probó el asunto y obtuvieron una fuerza de 0,0000912N de fuerza con 17W de potencia que, en proporción, es una fracción de lo que Shawyer dijo observar en sus experimentos. Los tipos de la NASA anunciaron sus resultados en el foro de NASA Spaceflighty su post superó el medio millón de visitas. Aunque la página web incluya el nombre de la NASA en su título es importante tener en cuenta que la publicación de estos investigadores en el foro no representa la postura de la prestigiosa agencia espacial respecto al EmDrive.

Pero las cosas se complican aún más.

Mediciones en movimiento, mediciones estacionarias

Shawyer ha dicho recientemente que el empuje generado por el EmDrive tan sólo puede ser medido cuando está en movimiento, habiendo sido previamente acelerado por una fuerza externa. Entonces, ¿qué diablos están midiendo supuestamente en esosexperimentossise están llevando todos a cabo de manera estacionaria?

Parece que ni siquiera el propio Shawyer lo sabe y los responsables de estos experimentos señalan como causante de las fuerzas generadas a la interacción de las microondas con el plasma virtual del vacío cuántico. ¿Y a qué se refieren con el plasma virtual del vacío cuántico? Ningún físico del mundo parece estar seguro.

Otros cinco investigadores de la NASA decidieron investigar esto del plasma virtual del vacío cuántico en 2013 (no buscaban poner a prueba la teoría tras el EmDrive, tan sólo ver qué efectos tenía) y llegaron a la siguiente conclusión: el empuje fue observado en las dos pruebas, incluso aunque una de ellas estuviera diseñada con la intención de que no produjera empuje. Específicamente, una prueba contenía modificaciones físicas internas que fueron diseñadas para producir empuje, y la otra no.

¿Son estos resultados indicios de un descubrimiento revolucionario o, por el contrario, experimentos dando falsas lecturas y aún falta por ver dónde está el error?

O sea, que incluso cuando apañaron el montaje para que no funcionara, seguían midiendo una fuerza proveniente del cono, lo que puede sugerir que se está cometiendo un fallo garrafal en los experimentos o que algún efecto que no se entiende muy bien está entrando en juego. Por eso estos investigadores son cautos y antes de lanzarse a gritar sus teorías a los cuatro vientos dicen, precisamente, que hacen falta más pruebas y su validación en otros laboratorios.

Nadie sabe todavía si realmente funciona

En fin, un aura de misterio(por no decir inconsistencias) rodea todo este proyecto porque nadie da información suficiente como para saber qué se está probando. Aunque el aparato de Shawyer falla en su planteamiento, hay investigadores afirmando que están obteniendo resultados… Pero sin llegar nunca a publicar su trabajo completo. ¿Se están inventando las cifras? ¿Son realmente estos resultados la señal de que han encontrado indicios de un descubrimiento revolucionario o, por el contrario, los experimentos dando falsas lecturas y aún falta por ver dónde está el error?

El público parece recibir el descubrimiento con ilusión pero los físicos, que al final son los que entienden los cálculos de Shawyer y están familiarizados con el procedimiento que conlleva publicar una investigación de manera transparente, se muestran muy escépticos debido a sus graves errores teóricos y todo este secretismo, que sería innecesario si el aparato realmente funcionara.

En fin, habrá que esperar a que salgan a la luz detalles más precisos para que la comunidad científica pueda poner a prueba el motor EmDrive y, por fin, salir de dudas. Aunque, visto lo visto, de momento será mejor que no nos hagamos demasiadas ilusiones dejándonos llevar por la esperanza de que a lo mejor se ha encontrado la clave que nos llevará hasta las estrellas.