9 770210 136004

0 0 2 9 2

EL COHETE VASIMR •• MEJORA GENETICA DEL TRIGO

ENERO 2001

800 PTA. 4,81 EURO

POSIBILIDADES TECNICAS DEL OCIO DIGITAL

REACCION

NUCLEAR

EN CADENA

Enero de 2001 Número 292

SECCIONES3

HACE...50, 100 y 150 años.

24PERFILES

Paul R. Ehrlich:¿Somos demasiados?

26CIENCIA Y SOCIEDAD

Evolución, origen del vuelo...El pH... Galaxias ricas

en gas molecular... Mejoraindustrial... Transporte

de protones a través de proteí-nas... Energía eléctrica.

36DE CERCAFracturas

por H. Van Damme,F. Duval y Y. Abdelhaye

Creación de convergenciaPeter Forman y Robert W. Saint John

Guerra en la músicaKen C. Pohlmann

Transición en el rodajePeter Broderick

El cine digital y sus posibilidadesPeter D. Lubell

Humanos virtualesAlvy Ray Smith

Un mundo virtual a medidaGlorianna Davenport

39

42

49

54

62

64

71

El Cohete VASIMRFranklin R. Chang Díaz

Disponíamos hasta ahora de dos tiposde cohetes: potente y devorador

de combustible uno y de escasapotencia, aunque eficiente,

el otro. Explicamos aquílos pasos dados hacia lacreación de un tercero, quecombina las ventajasde ambos.

4

12

18

Edición española de

SECCIONES84

TALLER Y LABORATORIODios los cría

y ellos se juntan,por Shawn Carlson

86JUEGOS MATEMÁTICOS

Limo espiral,por Ian Stewart

88IDEAS APLICADASTests del embarazo,por Rebecca Lipsitz

90NEXOS

Pervivencia,por James Burke

92LIBROS

Revolución Científica,Astronomía para todos

Química orgánica

75

La extraña pareja y la bombaWilliam Lanouette

La primera reacción nuclear en cadena controlada y el proyecto Manhattanresultaron de la colaboración explosiva entre los físicos Enrico Fermiy Leo Szilard.

La mejora genética del trigoPilar Barceló y Adoración Cabrera

Gracias al avance de lastécnicas de la biologíamolecular, se estálogrando una mayoreficacia de los programasde mejora, unconocimiento másprofundo de la genéticade los caracteres deinterés agronómico ynuevos sistemas dealteración de laspropiedades hereditarias.

Fármacos antisida para AfricaCarol Ezzell

La mayoría de los 35 millonesde personas infectadas con el virusdel sida viven en el continenteafricano, donde escasean losfármacos con los que se puede

combatir el VIH. ¿Permitirá elmundo que mueran estas personas?

INVESTIGACION Y CIENCIA

DIRECTOR GENERAL Francisco Gracia GuillénEDICIONES José María Valderas, director

ADMINISTRACIÓN Pilar Bronchal, directora

PRODUCCIÓN M.a Cruz Iglesias CapónBernat Peso Infante

SECRETARÍA Purificación Mayoral MartínezEDITA Prensa Científica, S. A. Muntaner, 339 pral. 1.a – 08021 Barcelona (España)

Teléfono 93 414 33 44 Telefax 93 414 54 13

SCIENTIFIC AMERICAN

EDITOR IN CHIEF John RennieMANAGING EDITOR Michelle PressASSISTANT MANAGING EDITOR Ricki L. RustingNEWS EDITOR Philip M. YamSPECIAL PROJECTS EDITOR Gary StixON-LINE EDITOR Kristin LeutwylerSENIOR WRITER W. Wayt GibbsEDITORS Mark Alpert, Carol Ezzell, Steve Mirsky, Madhusree Mukerjee,

George Musser, Sasha Nemecek, Sarah Simpson y Glenn ZorpettePRODUCTION William ShermanVICE PRESIDENT AND MANAGING DIRECTOR, INTERNATIONAL Charles McCullaghPRESIDENT AND CHIEF EXECUTIVE OFFICER Gretchen G. TeichgraeberCHAIRMAN Rolf Grisebach

PROCEDENCIADE LAS ILUSTRACIONES

Portada: Philip Howey Mac Congrave

Página

4-567

8-91012-1314

15-1718-212223

39

40

4142-43444546-474849

50515254-5556-5758-596063

64

66-6768-6970

7172-73

7476-83

Fuente

Pam FrancisSamuel VelascoJuan Velasco (arriba);John de Santis (abajo)Pam FrancisJohn de SantisKarin Retief/Trace Images

Dan Wagner; Cortesía de IreneFranck (píldoras)Karin Retief/Trace Images

Jennifer Johansen“March of Time”/Time PixAIP Emilio Segrè VisualArchivesTom Draper Design(ilustración); Sony PicturesImageworks (Hollow Man);Atomfilms (Space Dog);Katia Natola S.I.N./Corbis(Metallica y detalle deguitarra); ©2000 Warner Bros.(The Perfect Storm)Terry Renna (izquierda); SonyComputer Entertainment(derecha)RMN/Art Resource, New YorkTom Draper DesignBryan ChristieABC, Inc.Bryan ChristieCortesía de los autoresLisa Pines; Newsmakers(inserto)Bryan ChristieDennis Cook AP Photo

Cortesía del autorNext Wave FilmsGeorge RetseckBryan ChristieCortesía del autorGeorge Retseck (arriba);Sherri A. Liberman (abajo)Cortesía de Sony PicturesImageworks©2000 Warner Bros.Pixar AnimationPixar Animation (arriba);Louis Fabian Bachrach (abajo)Webb ChappelCortesía de Edwin Brit Wyckoff(Winky Dink); cortesía de DavidWinter (Pong); Digital Leisure,Inc. (Dragon’s Lair); Maxis,Inc. (Sim City); Cyan, Inc.(Myst); Screen Shot fromAmerica Online (Big Brother)Webb ChappelPilar Barcelóy Adoración Cabrera

COLABORADORES DE ESTE NUMERO

Asesoramiento y traducción:Juan Pedro Adrados: El cohete VASIMR; Esteban Santiago: Fármacos antisida para Africa;Xavier Roqué: La extraña pareja y la bomba; Luis Bou: Introducción al Informe especial,Creación de convergencia, Guerra en la música, De cerca y Juegos matemáticos; AngelGarcimartín: Transición en el rodaje, El cine digital y sus posibilidades y Perfiles; Juan PedroCampos: Humanos virtuales y Un mundo virtual a medida; J. Vilardell: Hace..., Taller y labo-ratorio e Ideas aplicadas; José M.ª Valderas Martínez: Nexos

Ciencia y sociedad:José Manuel García de la Mora: El pH, devaneos filológicos

Copyright © 2000 Scientific American Inc., 415 Madison Av., New York N. Y. 10017.

Copyright © 2001 Prensa Científica S.A. Muntaner, 339 pral. 1.a 08021 Barcelona (España)

Reservados todos los derechos. Prohibida la reproducción en todo o en parte por ningún mediomecánico, fotográfico o electrónico, así como cualquier clase de copia, reproducción, registro otransmisión para uso público o privado, sin la previa autorización escrita del editor de la revista.El nombre y la marca comercial SCIENTIFIC AMERICAN, así como el logotipo correspondiente,son propiedad exclusiva de Scientific American, Inc., con cuya licencia se utilizan aquí.

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Filmación y fotocromos reproducidos por Dos Digital, Zamora, 46-48, 6ª planta, 3ª puerta - 08005 BarcelonaImprime Rotocayfo-Quebecor, S.A. Ctra. de Caldes, km 3 - 08130 Santa Perpètua de Mogoda (Barcelona)

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08021 BarcelonaTel. 93 321 21 14Fax 93 414 54 13

Difusión

controlada

INVESTIGACIÓN Y CIENCIA, enero, 2001 3

...cincuenta años

EL CUERPO HUMANO EN EL ES-PACIO. «¿Qué tal le irá al explora-dor humano en su astronave? La in-gravidez evoca una imagen placentera:flotar en el espacio sin tensiones deningún tipo parece una situación agra-dable e incluso ventajosa. Pero noserá tan poco preocupante como pa-rece. Es más que probable que la na-turaleza nos cobre su precio por esepaseo gratis. En la Tierra carecemosde experiencia que nos indique so-bre algo similar. Parece que no hayque prever dificultades graves en lasfunciones de la circulación sanguí-nea y en la respiratoria. Es en el sis-tema nervioso humano, sus órganosperceptivos y su mente, donde po-demos esperar complicaciones cuandoel cuerpo se torne ingrávido.»

DIANÉTICA. [Reseña de libro]«Dianética: Ciencia Moderna de laSalud Mental, por L. Ron Hubbard,Hermitage House (4 dólares). Estevolumen es probablemente el quecontiene más promesas y menos he-chos que cualquier otra publicacióndesde la invención de la imprenta.Brevemente, su tesis es que el hom-bre es intrínsecamente bueno, poseeun recuerdo perfecto de todos los su-cesos de su vida y es bastante másinteligente de lo que aparenta. Sinembargo, una cosa llamada engramaimpide que esas características serealicen en la conducta humana...

Mediante un proceso llamado ensueñodianético, que se asemeja a la hip-nosis y que al parecer puede practi-car cualquiera entrenado en la dia-nética, pueden evocarse tales engramas.Conseguido esto, los engramas son‘reclasificados’ y el paciente queda‘libre’... El sistema se presenta sintítulos ni datos.»

...cien años

PRODUCCIÓN DE VACUNAS ANTI-VARIÓLICAS. «Hasta 1876, en NuevaYork era práctica común la vacunabrazo a brazo, y la linfa se tomabade la ampolla de un niño de pocosmeses ya vacunado. Pero la linfa hu-mana siempre resultó inquietante, altratarse de un posible foco de in-fección de enfermedades sanguíneas.En 1876 el departamento de sanidadde la ciudad puso los cimientos dellaboratorio de vacunación actual. Auna ternera se le practica una inci-sión lineal superficial en la piel, enla que se unta el virus de la vacuna.A los pocos días aparecen las ampo-llas de las que se obtiene el virus.Este, emulsionado en glicerina, se in-troduce en pequeños tubos capilaresde vidrio, cada uno de los cualescontiene el virus suficiente para unavacuna.»

TURBINAS DE VAPOR. «Al igualque las turbinas terrestres [para ge-nerar electricidad], como las instala-das en Inglaterra y Alemania, han

superado a los mejores motores al-ternativos de triple expansión en pro-ducción de vapor, en las instalacio-nes marinas la turbina de vapor estádestinada a sustituir al motor alter-nativo en todos los buques rápidos,desde los medios hasta los grandestonelajes.- Charles A. Parsons» [Notade la redacción: A Parsons se leconsidera el inventor de la turbinade vapor moderna.]

EL EXTERMINIO DE LOS MOSQUI-TOS. «No debe sorprendernos estapredicción para el siglo que viene:De las ventanas desaparecerán lasmosquiteras, gracias a la extermina-ción en masa de esos insectos. Losorganismos sanitarios habrán destruidotodos los nidos y criaderos, avenadotodas las charcas estancadas, dese-cado todos los terrenos pantanosos ytratadas químicamente todas las co-rrientes de aguas tranquilas.»

SEGUROS ANTIANARQUISMO. «Elrey Alejandro de Serbia ha intentadoasegurar su vida por dos millones dedólares en varias compañías, pero unade ellas, a las que solicitó un seguropor 300.000 dólares, rechazó suscri-bir la póliza aduciendo la prolifera-ción de los delitos anarquistas.»

DRAGA HIDRÁULICA. «El rápidoaumento que en los últimos años hatenido lugar en el tamaño y caladode los vapores oceánicos ha hechonecesario ahondar considerablementelos canales tanto de los accesos alpuerto de Nueva York como en elpuerto mismo. Se incluye una ilus-tración de una de las dos dragas deganguiles hidráulicas (las más po-tentes de su clase en el mundo) queexcavarán unos treinta millones demetros cúbicos del nuevo canalAmbrose. Es capaz de extraer arenay agua por el conducto mediante unabomba de dragado de más de 1,2 me-tros en aspiración y descarga.»

...ciento cincuenta años

MEDICINA NAPOLITANA. «Los na-politanos son de la opinión de quelas sangrías son necesarias en nu-merosas enfermedades para las que,entre nosotros, se considerarían fa-tales.»

HACE...

DRAGA HIDRAULICA para el puerto de Nueva York, 1901

Soñamos con ir a las es-

trellas. Los de mi gene-

ración pasamos la infan-

cia, allá por los años

cincuenta, imaginándonos que un

día seríamos pilotos del espacio.

Comprobé más tarde que aquella

fascinación no era privativa de mi

educación en Costa Rica. Muchos

de mis actuales colaboradores, pro-

cedentes de distintas partes del

mundo, relatan semejantes anhelos

infantiles. En los últimos 50 años,

he sido testigo del desarrollo de las

primeras naves que han transpor-

tado al hombre allende los confi-

nes de la Tierra. En los últimos

20, he tenido la suerte de subir a

bordo de alguno de estos cohetes

y recibir una impresión de primera

mano de las maravillas que imagi-

naba. Parece como si estuviésemos

destinados a abandonar nuestro frá-

gil planeta y desplazarnos en el

cosmos en una nueva odisea hu-

mana. Esta empresa dejaría pequeña

a la aventura colombina.

4

El coheteFranklin R. Chang Díaz

1. MOTOR COHETE DE NUEVO CUÑO. Consólo tres metros de longitud, produce gases deescape a una velocidad sin precedentes: 300 ki-lómetros por segundo. La ventana que se ob-serva a la derecha revela el plasma que brillaen el interior.

VASIMRDisponíamos hasta ahora de dos tipos de cohetes: potente y devorador

de combustible uno y de escasa potencia, aunque eficiente, el otro.

Explicamos aquí los pasos dados hacia la creación de un tercero,

que combina las ventajas de ambos

6 INVESTIGACIÓN Y CIENCIA, enero, 2001

Aún carecemos de las naves ne-cesarias para aventurarse hasta dis-tancias lejanas en la inmensidad delespacio. Con los cohetes químicosactuales, un viaje a Marte tardaríadiez meses en una nave espacial li-mitada y vulnerable. Habría poco si-tio para la carga útil. La mayor partede la masa de la nave se ocuparíacon el agente propulsor, que se gas-taría en unas pocas igniciones bre-ves, dejando que la nave se despla-zase por inercia durante un largotramo del viaje. Si se tuviese queviajar hasta Marte en estas condi-ciones, la tripulación se resentiríabastante. Los meses de exposición ala ingravidez debilitarían músculos yhuesos, y la radiación persistente delespacio exterior dañaría el sistemainmunitario.

Para que fuese segura, la nave in-terplanetaria tripulada debería ser rá-pida, fiable y capaz de interrumpirla misión en caso de fallo. Sus sis-temas de propulsión han de estar pre-parados para abordar no sólo la fasede travesía, sino también las manio-bras cerca de los planetas de origeny destino. Mientras la propulsión quí-mica puede continuar proporcionandoun excelente medio de transportedesde la superficie hasta la órbita,se necesitan nuevas técnicas para en-viar el hombre a los planetas y a lasestrellas.

Los cohetes de plasma son una deestas técnicas. Usando gases ioniza-dos acelerados por campos eléctricosy magnéticos, se aumenta su rendi-miento mucho más allá de los lími-tes del cohete químico. Mi equipode investigación ha venido trabajandoen esa dirección desde principios delos años ochenta. Se trata del Co-hete de Magnetoplasma con ImpulsoVariable Específico (VASIMR). Sugénesis se remonta a finales de lossetenta, cuando estudiaba los con-ductos magnéticos y su aplicación ala fusión nuclear controlada. En es-tos conductos, un campo magnéticoaísla un plasma caliente de su su-perficie material más cercana, de-jando que alcance temperaturas decientos de millones de grados.

Avancé la teoría de que un con-ducto, con forma adecuada, podríacrear una tobera magnética y con-vertir la energía del plasma en em-puje para un cohete. Esta estructurafunciona como una tobera de un co-hete tradicional, pero puede soportartemperaturas mucho mayores. Poste-riores investigaciones sugirieron queel sistema podría también generar ga-ses de escape variables y adaptablesa las condiciones del vuelo, del mismomodo que la transmisión de un auto-móvil adopta la potencia del motora las peculiaridades de la carretera.Aunque la idea de gases de escapevariables nació con los cohetes, suaplicación a los cohetes químicos contoberas de material estático se ha ma-nifestado poco práctica. En el VA-SIMR la idea ha madurado lo sufi-ciente para encarnarse en realidad.

El cohete de Newton

El principio de la propulsión porcohetes parte de la ley newto-

niana de acción y reacción. Un co-hete se impulsa a sí mismo expul-sando material en dirección opuestaa su movimiento. Por lo común, elmaterial es un gas calentado por unareacción química, pero el principiopuede aplicarse también al movi-miento de un aspersor de jardín.

FRANKLIN R. CHANG DIAZ havolado en cinco misiones espaciales.Durante las mismas se lograron eldespliegue de la sonda Galileo ha-cia Júpiter, las dos primeras prue-bas de acoplamientos espaciales y elanclaje final del transbordador en laMir. Además de su carrera astro-náutica y su investigación en plas-ma, ha trabajado en programas desalud mental y rehabilitación de dro-

TUBO DE CUARZO

Paso 4ANTENA ICRHcalienta el gashasta 10 millonesde grados Paso 2

ANTENA DE ONDAS HELICONioniza el gas

Paso 5CAMARA DE VACIOcaptura el gas calienteal escapar del confinamientomagnético

Paso 3BOBINAS MAGNETICASgeneran el campo que confinael gas ionizado en un “espejo”

ALIMENTACIONESDE ANTENA

Paso 1INYECTORalimenta hidrógenoo helio gaseoso

VENTANA

ASI OPERA

El empuje del cohete se mide ennewtons y es el producto de la ve-locidad de los gases de escape (conrelación a la nave) y la tasa de flujodel agente propulsor. Con bastantesencillez, se obtiene el mismo em-puje expulsando más material a ve-locidad baja o menos a velocidadalta. Este último método ahorra com-bustible, aunque supone altas tem-peraturas de los gases de escape.

Para medir las prestaciones del co-hete, los ingenieros recurren al im-pulso específico (Isp), expresión queindica la velocidad de los gases deescape dividida por la aceleraciónde la gravedad al nivel del mar(9,8 metros por segundo por segun-do). Aunque el empuje es directa-mente proporcional a Isp, la energíanecesaria para producirlo es propor-cional al cuadrado del impulso Isp.Por tanto, la energía necesaria paraun determinado empuje aumenta li-nealmente con Isp. En los cohetesquímicos esta energía se origina enla reacción exotérmica del combus-tible y el oxidante. En otros casos,se debe impartir a los gases de esca-

pe por un calefactor del agente pro-pulsor o acelerador. Estos sistemasdependen de una fuente de energíasituada en otra parte de la nave. Sue-len utilizarse paneles solares; mas laingente demanda de energía que con-lleva la exploraciónhumana del espacio ha-brá de satisfacerse conreactores nucleares. So-bre todo en misionesallende Marte, dondela luz solar es relati-vamente débil.

En nuestra búsquedade un alto rendimientodel combustible, y portanto de un alto Isp, miequipo de investigaciónha dejado de lado lasreacciones químicas, enlas que la temperaturaes sólo de unos milesde grados kelvin, paraahondar en las posibi-lidades de la física deplasmas, donde las al-tas temperaturas arre-batan a los átomos al-

INVESTIGACIÓN Y CIENCIA, enero, 2001 7

DIRECCIONDEL CAMPO

VELOCIDAD

FUERZA

TRAYECTORIADE LA PARTICULA

ELECTROIMAN

0,1

1

10

103

104

105

EMPUJE

COMBUSTIBLE

Cons

umo

de c

ombu

stib

le (g

ram

os p

or s

egun

do)

Temperatura del plasma (grados kelvin)

Impu

lso

espe

cífic

o (s

egun

dos)

Em

puje

(new

tons

)

IMPULSO ESPECIFICO

107106105104

10

100

1000

3. CERCA DEL CENTRO delespejo, las líneas de campo co-rren paralelas, de forma que lafuerza magnética es radial. Laspartículas viajan a velocidadconstante con trayectoria heli-coidal de radio casi constante.

4. CERCA DE CADA IMAN, las líneas decampo se inclinan. Entonces una componentede la fuerza expulsa del imán a las partí-culas. (Si éstas se mueven hacia el imán, sepueden detener e invertir su movimiento.)En esta zona, la hélice se estrecha.

gunos electrones, si no todos. La tem-peratura de un plasma comienza apro-ximadamente a 10.000 grados kelvin.En los laboratorios, sin embargo, eseguarismo puede multiplicarse por 1000.El plasma es una sopa de partículasdotadas de carga: iones positivos yelectrones negativos. A estas tempe-raturas los iones, que constituyen lamayor parte de la masa, se muevena velocidades de 300.000 metros porsegundo, es decir, 60 veces más rá-pido que las partículas en los mejo-res cohetes químicos.

La producción de potencia del mo-tor se mantiene adrede en un valormáximo, de forma que el empuje eIsp son inversamente proporcionales.El aumento de uno de ellos siemprese hace a costa del otro. Por tanto,para el mismo agente propulsor, uncohete de alto Isp desplaza una ma-yor carga útil que otro con bajo Isp,pero en un tiempo más prolongado.Si un cohete pudiese variar el em-puje e Isp, podría optimizar el usodel agente propulsor y desplazar unacarga útil máxima en un tiempo mí-nimo. Esta técnica de aceleración depotencia constante (CPT) es similara la función de la transmisión de unautomóvil al subir una cuesta o a lapuesta en bandera de un motor dehélices al moverse a través del aire.

Para representarnos la CPT consi-deremos el modo en que la nave ad-quiere energía cinética procedente delos gases de escape. Si este procesotuviese un rendimiento perfecto, laspartículas de los gases de escape(vistas por un observador en tierra)dejarían la nave en reposo; la sondase movería a la velocidad de los ga-ses de escape. Toda la energía de

2. ESPEJO magnéticoque atrapa las partí-culas de forma que sepueden calentar hasta10 millones de gradoskelvin. Consta de doselectroimanes anula-res que establecen uncampo magnético, di-latado entre ambos.En el VASIMR, untercer imán extiendeel espejo y propor-ciona una “tobera”magnética que expulsalas partículas.

5. COMO EL CAMBIO DE MARCHAS de un auto-móvil, y a diferencia de otros cohetes, el VASIMR ajustasu potencia. Incrementando su temperatura, aumentasu impulso específico (azul) y reduce el consumo decombustible (amarillo), a costa de obtener menor em-puje (rojo). La potencia de 10 megawatt es constante.

los gases de escape se habría co-municado a la nave. Así, en una navelenta, los gases de escape lentos uti-lizan mejor la fuente de energía. Alacelerar la nave, gases de escape másrápidos (calientes), aunque en menorcantidad, dan mejores resultados. Apli-cando la CPT, la nave comienza conun empuje alto para lograr una ace-leración rápida. Al aumentar su ve-locidad, Isp aumenta gradualmente yel empuje disminuye para economi-zar combustible. No ocurre otra cosacuando un automóvil arranca en unamarcha corta y va paulatinamentecambiando hacia marchas superiores.

Rebotando de atráshacia delante

El VASIMR incorpora espejosmagnéticos. El más sencillo está

producido por dos electroimanes anu-

lares donde la corriente circula en lamisma dirección. El campo magné-tico, confinado cerca de los anillos,se ensancha en el espacio libre en-tre ambos. Las partículas cargadas semueven helicoidalmente a lo largode las líneas del campo, describiendoórbitas alrededor de ellas con un ra-dio específico, el radio de Larmor,y a la frecuencia de ciclotrón. Comoes de esperar, para un campo de unamagnitud determinada, las partículasmás pesadas (los iones) tienen me-nor frecuencia de ciclotrón y mayorradio de Larmor que las ligeras (loselectrones). Además, los campos in-tensos producen una alta frecuenciade ciclotrón y un pequeño radio deLarmor. En el VASIMR, la frecuen-cia iónica de ciclotrón es de unospocos megahertz (MHz), mientras quesu equivalente para electrones estáen el campo de los gigahertz.

La velocidad de las partículas constade dos componentes: una paralela alcampo (que corresponde al movi-miento hacia delante a lo largo dela línea del campo) y la otra per-pendicular (propia del movimiento or-bital alrededor de la línea). Cuandouna partícula se aproxima a un campolimitado (más intenso), aumenta suvelocidad perpendicular, pero la pa-ralela se reduce proporcionalmentepara mantener constante la energíatotal. La causa de este fenómeno tieneque ver con la dirección de la fuerzaejercida por el campo sobre la par-tícula. La fuerza siempre es perpen-dicular a la velocidad de la partículay a la dirección del campo. Cercadel centro del espejo, donde las lí-neas del campo discurren paralelas,la fuerza es radial y no ejerce puesningún efecto sobre la velocidad pa-ralela. Pero cuando la partícula en-tra en la restricción del campo, lafuerza la inclina hacia el exterior deesa zona, produciéndose un desequi-

8 INVESTIGACIÓN Y CIENCIA, enero, 2001

6. MIRANDO por el centro del cohete, se ve el plasma viniendo directamentehacia el observador. La ventana tiene un diámetro de 15 centímetros.

librio que decelera la partícula. Si lapartícula está saliendo de la restric-ción, el campo produce el efectoopuesto y la partícula se acelera.Como no se ha sumado energía, laaceleración ocurre a costa del movi-miento rotacional. El campo magné-tico no opera sobre la partícula; selimita a vehicular la transferencia deenergía.

Estos sencillos argumentos se man-tienen siempre y cuando la restric-ción del campo sea lenta y gradualcomparada con el movimiento de lapartícula, condición conocida comoadiabaticidad. En su movimiento cur-vado alrededor de las líneas del campo,éstas guían a las partículas, que sólopueden seguir las líneas que no securvan abruptamente, de forma si-milar a lo que les sucede a los auto-móviles que corren raudos por unaautopista resbaladiza.

Un espejo magnético puede atra-par partículas si, dada su lentitud,se reflejan en las restricciones delcampo. Las partículas rebotan entresí hasta que algo rompe su veloci-dad paralela de forma que supera latrampa o hasta que una de las res-tricciones se reduce. Con una velo-cidad paralela suficiente, la partículapasará y se acelerará en el otro lado.Los cambios repentinos en la velo-cidad de una partícula atrapada, quepueden bastar para liberarla, se pue-den producir por sucesos aleatorios(colisiones con otras partículas, in-teracción con ondas electromagnéti-cas, o inestabilidades de plasma yturbulencia). El campo magnético dela Tierra es un espejo natural. Laspartículas cargadas de la ionosferarebotan de un lado a otro entre lospolos norte y sur. Algunas penetranen las profundidades de la atmósferasuperior y crean auroras espectacu-lares. El VASIMR usa estas tres es-tructuras magnéticas, unidas conjun-tamente: un inyector de plasmadelantero, que ioniza el gas neutro;un amplificador de potencia central,que energiza el plasma; y una to-bera magnética posterior, que lo ex-pulsa hacia el espacio.

Dirigiendo la potencia

La mayoría de los cohetes de plasmanecesitan electrodos físicos, que

se erosionan en un ambiente hostil.Pero el VASIMR utiliza antenas deradio. Las ondas de radio calientanel plasma. Dos procesos de ondasentran en juego. Primeramente el gasneutro en la etapa del inyector seconvierte en un plasma denso y, en

términos relativos, frío (aproximada-mente 60.000 grados kelvin) a tra-vés de la acción de ondas helicón;así se llaman las oscilacioneselectromagnéticas a frecuencias de 10a 50 MHz, que energizan los elec-trones libres de un gas en un campomagnético. Los electrones se multi-plican rápidamente por la liberaciónde otros electrones desde los átomoscercanos en una ionización en cas-cada. Aunque no se dominan los por-menores del mecanismo, estas ondasgozan de extensa aplicación en la in-dustria de semiconductores.

Una vez formado, el plasma fluyehacia la etapa central, donde se ca-lienta por la acción adicional de otrasondas; que en este caso son oscilacio-nes iónicas de ciclotrón de frecuen-cia algo menor, cuyo nombre se debea que resuenan con el movimientorotacional natural de los iones. Elcampo eléctrico de la onda es per-pendicular al campo magnético ex-terno y gira a la frecuencia iónicade ciclotrón. La resonancia energizael movimiento perpendicular de laspartículas. Este efecto de calenta-miento por resonancia iónica de ci-clotrón (ICRH) se utiliza ampliamenteen las investigaciones sobre fusión.

La etapa central, por último, es laresponsable del alto Isp del cohete.

Alguien podría preguntarse por quéun aumento en el movimiento per-pendicular de los iones puede im-partir una cantidad de movimientoútil a los gases de escape del co-hete. La respuesta reside en la físicade la tobera magnética, la etapa fi-nal del VASIMR. El campo diver-gente transfiere aquí energía desdeel movimiento perpendicular hacia elmovimiento paralelo, acelerando losiones a lo largo de los gases de es-cape. En razón de su mayor masa,los iones arrastran consigo a los elec-trones, de manera que el plasma saledel cohete como un fluido neutro.En el VASIMR, esta expansión detobera sucede en una distancia apro-ximada de 50 centímetros.

Acabada la expansión, el plasmaha de desprenderse del cohete. Entrabajos recientes de Roald Sagdeev,de la Universidad de Maryland, yBoris Breizman, de la Universidadde Texas, hallamos descifrada la fí-sica básica. El modelo emplea la ve-locidad de Alfvén, así llamada enhonor de Hannes Alfvén, físico suecoque la describió. Las perturbacionesen un plasma magnetizado se pro-

INVESTIGACIÓN Y CIENCIA, enero, 2001 9

7. ONDULANTES NUBES de vapor de agua surgen de los imanes, que semantienen a la temperatura del nitrógeno líquido.

pagan a lo largo del campo a estavelocidad. En una tobera magnéticala velocidad de Alfvén desempeña unpapel similar al de la velocidad delsonido en una tobera normal.

La transición del flujo subalfvé-nico al superalfvénico define un lí-mite, trascendido el cual el flujo endirección descendente no ejerce nin-gún efecto en la dirección opuesta,lo que asegura que el desprendimientodel plasma no oponga resistencia alcohete. La tobera del VASIMR ex-pande el plasma superado este límite,hasta un punto donde el contenidode energía del campo es pequeñocomparado con el del flujo de plasma.Entonces se libera el plasma, quearrastra consigo una pequeña canti-dad del campo. Se supone que ocu-rre un fenómeno similar cuando lasfulguraciones solares se desprendendel campo magnético del astro. Elgasto energético en la distorsión delcampo apenas incide en el rendi-miento del cohete. El desprendimientodel plasma se produce uno o dos me-tros más allá de la garganta de latobera.

División de la energía

La aceleración que caracteriza alVASIMR se logra cambiando la

fracción relativa de energía dirigidaa los sistemas de ondas helicón eICRH. Para alto empuje, la energíase destina a la generación de ondashelicón produciendo más iones a ve-locidad menor. Para alto Isp, se des-vía más energía hacia el ICRH, conlas consiguientes reducciones en em-puje. Estamos estudiando otras dostécnicas de variación de los gases deescape, que incluyen un estrangula-dor magnético en la garganta de latobera para alto Isp y un posquema-dor de plasma para alto empuje conmuy bajo Isp.

Importa atender sobre todo al ren-dimiento del motor en el curso desu intervalo de funcionamiento. Lacreación de un plasma de hidrógenocuesta unos 40 electronvolt por parion-electrón. (El electronvolt, simbo-lizado por eV, es la unidad de ener-gía de empleo habitual en física departículas.) Este gasto de energía noestá disponible para la propulsión; lamayoría de ella se aplica a la crea-ción del plasma. A esa inversión ini-cial hemos de sumar la energía ci-nética de las partículas, generadoraen última instancia del empuje. Enel primer prototipo de VASIMR, paraun alto Isp, la energía cinética esaproximadamente 100 eV por ion;

por tanto, un gasto total de energíade 140 eV produce 100 eV de ener-gía útil, vale decir, un rendimientode entorno al 70 por ciento. En elfuturo, el VASIMR alcanzará ener-gías de gases de escape de 800 a 1000eV para la misma inversión inicial,obteniendo un rendimiento mayor.Para un bajo Isp, cuando se generamás plasma para buscar un mayorempuje, la energía cinética se acercaa la energía de ionización, con lasconsecuentes reducciones en rendi-miento. Pero el rendimiento habráque evaluarlo en el contexto generalde la misión. En ocasiones, unas bre-ves ráfagas de alto empuje puedenser el método más eficiente.

El gas de ionización trae consigootros inconvenientes. Los átomos neu-tros que quedan en el plasma inicialcausan pérdidas de potencia inde-seables si permanecen mezcladoscon los iones energéticos. En un in-tercambio de carga, un átomo neu-tro frío cede un electrón a un ioncaliente. El neutro caliente resultanteno sufre la acción del campo mag-nético y se escapa, depositando suenergía en las estructuras cercanas.El ion frío que deja atrás no sirvepara nada.

Con el fin de salvar tal escollo,estamos estudiando una técnica debombeo radial, en la que se expul-san los neutros fríos hacia fuera, an-tes de que merodeen en la etapa deamplificación de potencia. Se pue-den inyectar nuevamente más abajode la garganta de la tobera, dondelos iones cursan ya en la direccióncorrecta y el intercambio de cargafacilita que el plasma se desprendadel cohete. El intercambio de cargaconstituye una cuestión central de lasinvestigaciones actuales sobre fusión.

Aunque los helicones ionizan casicualquier gas, otras razones de ín-dole práctica inclinan a optar por elhidrógeno y el helio, elementos li-geros. En ese sentido, el proceso deICRH es más sencillo en gases li-geros, cuyas frecuencias de ciclotrónen campos razonables (aproximada-mente de una tesla) son compatiblescon la técnica de ondas de radio dealta potencia. Afortunadamente, siendoel hidrógeno el elemento más abun-dante en nuestro universo, cabe es-perar que nuestras naves encuentrenun amplio suministro de agente pro-pulsor por doquier. En la generaciónde fuertes campos magnéticos se pre-senta otro importante desafío para laingeniería. Estamos investigando nue-vos superconductores de alta tempe-ratura, basados en compuestos de

10 INVESTIGACIÓN Y CIENCIA, enero, 2001

OR

BIT

AM

ARCIANA

OR

BITA

TERRESTRE

INTERRUPCION DE EMERGENCIA

ENTRADA EN ORBITA MARCIANA

VIAJE INTERPLANETARIO

25 radios terrestres

Inserciónen órbita(t + 246 días)

5 radios marcianos

Regreso(t + 169 días)

Interrupción(t + 44 días)

Orbita final(t + 250 días)

25.000 radios terrestres

ESCAPE DE LA TIERRA

Escape(t + 30 días)

Orbita baja(t + 0 días)

Aterrizajede la tripulación(t + 115 días)

Para llegar hasta Marte, la nave debe libe-rarse de la gravedad terrestre. Usando unamarcha baja (máximo empuje y un Isp de 3000segundos), el VASIMR toma velocidad.

TRAYECTORIA DE MARTE

A diferencia de los cohetes normales elVASIMR nunca va a la deriva. Cambia a mar-chas superiores, alcanzando un Isp de 30.000segundos a los 75 días de vuelo, y entoncescomienza la deceleración.

Después de sobrevolar Marte para dejara los astronautas, la nave va descendiendoen la órbita por sí misma.

El VASIMR puede regresar si algo va malal principio del viaje.