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Proyecto Heimdal

nau-planetaSiguiendo con lo iniciado en la entrada anterior y dentro del mundo de juego Walküre del que he iniciado una campaña en el club llamada “Walkure – Japan Empire“, éste es el proyecto para ir a una estrella cercana con gente y recursos y ser capaces de volver. Para ello la energía utilizada para acelerar los gases de escape ha de ser mucho mayor. La solución es el uso de antimateria.

Si podemos crear antiprotones en una cantidad considerable podríamos usarlos más tarde para combinarlos con cualquier átomo de materia ordinaria, hidrógeno por ejemplo, y usar la inmensa energía de la mutua destrucción para acelerar los gases de escape de nuestra nave. Para ello necesitamos que sea posible:

  • Un método viable de crear antimateria de forma abundante. Aquí supongo que es factible tener una fábrica de antimateria que orbite un gigante de gas (Júpiter por ejemplo) y que se aproveche de la enorme cantidad de hidrógeno disponible. Mediante reactores de fusión presupongo la posibilidad de fabricar antimateria a una tasa de unos 50Kg al día.
  • Otra cuestión es la forma de almacenar la antimateria ya que ésta no puede estar en contacto con la materia. Para ello se precisa de un sistema de contención mediante campos magnéticos. Una consecuencia de ello es que sería mejor que la antimateria estuviera cargada. Por ello asumo que son antiprotones.

Velocidad de Escape de los gases

En este caso usamos la energía de desintegración de 1 antiprotón con un átomo de hidrógeno para acelerar una cierta cantidad de gas hidrógeno. Podemos escribir la ecuación de la reacción nuclear del siguiente modo:

n 1H + 1 antiP -> (n-1) 1H + Ed

Esta Energía de desintegración, Ed, es fácil de calcular mediante la ecuación de Einsten:

Ed = m1c2

Donde la m1 es la suma de la masa del átomo de hidrógeno y el antiprotón. Asumiendo una conversión del 100% la velocidad sería:

Ec = ½ m2 v2

Donde m2 es la masa de los gases formados por el hidrógeno que no se ha desintegrado en la ecuación anterior: m2 = (n-1) 1H. Como empleamos la energía de desintegración de alguna manera para acelerar los gases entonces:

Ec = Ed

Por tanto y despejando la velocidad de la ecuación anterior tenemos:

v = √[(2 x Ed) / m2]

La velocidad de escape depende del % de antimateria que empleemos en la mezcla con el hidrógeno. Aquí pongo algunos resultados para diferentes porcentajes:

Antiprotones (% en la mezcla)

V escape (%c)

10

71

9

67

8

60

7

55

6

50

5

45

Pero a valores mayores del 50%c el valor de la distorsión relativista es muy importante y tendría que introducir el factor tau en las ecuaciones. La consecuencia es que a partir de cierto valor el aumento de porcentaje de antimateria apenas aumentaría la velocidad de escape a acercarse ésta a la velocidad de la luz y hacerse Tau enorme. Por ello prefiero una velocidad de escape menor del 50%c, concretamente he escogido el valor del 5% de combustible de antimateria para los cálculos posteriores que me da una velocidad de escape del 45%c.

Velocidad de escape de los gases = 45% c

La ecuación del cohete

Con una velocidad de escape tan grande ya podemos permitirnos el lujo de una nave con una gran proporción de carga útil. Así en la ecuación del cohete:

 \Delta v = -v_e \ln \left(\frac{M+P}{P}\right)

Donde el incremento de velocidad es el de la nave después de la aceleración y:

ve = Velocidad de escape de los gases

M = Masa del combustible

P = Masa de la estructura de la nave

Podemos diseñar una nave con P = 25%. Una parte del combustible se dedica a acelerar la nave hasta la velocidad que nos da la ecuación y el resto del combustible se emplea en la frenada (dejo un 2% de reserva).

Combustible aceleración
Combustible frenada
Masa estructural
Velocidad Final

64% M

34% M

P = 25%

30% c

A esa velocidad y asumiendo una aceleración (y frenada) de 1 g tenemos que:

  • Tiempo de aceleración para llegar al 45%c:         104 días
  • Tiempo en vuelo al 45%c medido en la Tierra:     13,4 años
  • Tiempo en vuelo al 45%c medido en la nave:       12,8 años
  • Tiempo de frenada:                                                104 días
  • Tiempo total del viaje medido en la Tierra:            14,0 años
  • Tiempo total del viaje medido en la nave:              13,4 años

La Odín

odinCon estos parámetros he diseñado la Odín (pongo nombres alemanes). Una nave capaz de llegar a alfa centauri y realizar una misión de exploración, de colocar las primeras bases en los planetas que se considere adecuados y de retornar al sistema solar después de haber recargado el combustible.

El primer aspecto a considerar, una vez solucionado el problema de la impulsión, es la recarga de combustible. He supuesto que la Odín no sólo tiene un motor capaz de producir la reacción de desintegración entre materia y antimateria y aprovecharla para acelerar los gases de escape sino que, además, contiene una fábrica de antimateria que es producida de la conversión de hidrógeno en antiprotones utilizando un generador de fusión. Evidentemente necesita una provisión inmensa de hidrógeno, muchísimo más de lo que pueden contener sus tanques de combustible. Por ello, antes de iniciar un viaje interestelar, la nave se ha de aproximar a un gigante de gas para cargar sus depósitos y producir la antimateria necesaria. Por otra parte el hidrógeno es convertido en deuterio para almacenarlo ya que su densidad es mayor y así los tanques pueden ser de menor volumen. Una parte del hidrógeno recibido es transformado en antiprotones que son contenidos en tanques especiales mediante el uso de campos magnéticos. El proceso más lento es el de la producción de antimateria. Yo he supuesto un ritmo de unas 50 Tn por día. De esta manera se tardaría cerca de un año para producir las 16.000 Tn que precisa la nave (ver esquema).

El segundo aspecto importante es el tiempo que dura el viaje: 14 años. Esto quiere decir que la tripulación habría de viajar hibernada, en un estado de reducción de sus constantes vitales a fin de reducir su consumo. Aquí he de considerar dos tipos de personal:

  • Tripulantes que manejan la nave
  • Equipo de exploración. Sólo son necesarios en el destino.

El segundo tipo permanece hibernado durante todo el viaje. Del primer tipo sólo se mantiene despierta una pequeña guardia. Yo asumo que la tripulación al completo podría ser de unos 270 hombres, dividida en tres turnos de ocho horas. Es decir que en pleno rendimiento habría unos 90 hombres operado la nave. La guardia no hibernada durante el largo y monótono viaje puede ser mucho menor. Con 45 hombres de los cuales solo 15 están despiertos en un momento dado creo que es suficiente. Estos 45 son relevados cada 3 meses. Vuelven a hibernación y se despierta un nuevo equipo. De esta forma durante los 14 años se hacen 56 relevos así que cada tripulante hace unas 6 guardias de este tipo.

Planos y Detalles de la Odín

En la tabla siguiente detallamos el volumen y el peso de los diferentes elementos que aparece en el plano esquemático más abajo:

Elemento N V(m3) M(Tn)
Placa Protectora   20.000 15.000
Bloques de Hábitat 6 17.000 7.000
Hangares   140.000 40.000
Motores   46.000 18.000
Tanques de Deuterio 18 1.150.000 300.000
Tanques de Antiprotones 18 80.000 16.000
Tobera   20.000 16.000
Conexiones y peso muerto     8.000
TOTAL   1.473.000 420.000

Descripción de los elementos de la Odín

Esta nave de 420.000 toneladas tiene 200 m de alto por 140 de ancho. Es más alta que la mayor parte de los rascacielos. Un portaviones moderno puede tener 300 m de largo pero tan solo unos 80 de ancho. En definitiva: es algo inmenso. Su construcción se hizo en la órbita de la Tierra, en uno de los puntos de Lagrange, y tardó varios años. Una vez construido hizo su primer viaje hasta Júpiter para cargar/fabricar su combustible tardando un año en completar la tarea. Esta hecha con materiales superresistentes y extremadamente ligeros para minimizar su peso sin perder capacidad de protección. Sus paredes se componen de varias capas ideadas para aislar el interior de los peligros del espacio. Describo a continuación sus elementos:

Placa Protectora: Es una placa circular de unos 3 m de grueso y 140 m de diámetro. Hecha de un material muy resistente capaz de absorber las partículas y átomos libres en el espacio protegiendo así la nave de cualquier impacto.

habitatBloques de Hábitat: Es una rueda colocada perpendicularmente al eje de la nave. En ella están los seis bloques de hábitat (ver esquema) de 12 metros de ancho x 12 metros de alto x 24 metros de largo. Los bloques pueden cambiar su orientación (hacia donde apunta el suelo). Durante la aceleración el suelo apunta en la dirección del eje de la nave en sentido contrario al movimiento. Pero cuando se para la aceleración se hacen girar los módulos sobre su eje longitudinal de forma que el suelo apunte al exterior. Es entonces cuando la rueda empieza a girar para simular una gravedad artificial. Durante la frenada se vuelven a girar y la rueda deja de rotar. Cada bloque tiene cinco pisos. Los tubos de unión al eje acceden al piso superior, entre bloques al central.

  • Bloque 1: En este bloque se encuentran los lugares de trabajo:
    • Puente de control: donde se maneja la nave y se controlan todos sus elementos: motores, sistema vital, hangares, sensores, etc.
    • Sala del ordenador.
    • Salas de reuniones.
    • Talleres: Capaces no solo de reparaciones sino también de fabricación de piezas menores.
    • Laboratorios: de análisis tanto químico como biológico. También son capaces de sintetizar productos químicos o farmacéuticos.
    • Habitaciones VIP: Para Oficiales: 30.
    • Enfermería: Con quirófano y salas aisladas para enfermos. Capaz para 20 personas.
    • Cuartel de seguridad: Equipo de guardia para emergencias. No solo de combate sino también antiincendios, de rescate, etc.
  • Bloque 2: Habitaciones de la tripulación, capaces para 288 personas (3 niveles). Comedores (nivel central). Salas de recreo. Gimnasio.
  • Bloque 3: Tanques de hibernación. Capaces para 900 personas.
  • Bloque 4: Habitaciones del equipo de exploración. Capaces para 384 personas (4 niveles). En el central hay sala de recreo y gimnasios.
  • Bloque 5: Jardín y tanques hidropónicos.
  • Bloque 6: Almacenes.

habitatHangares: Los hangares están divididos en dos niveles, como se puede observar en el esquema de la nave. El nivel superior contiene las dos pistas con sus compuertas de acceso al exterior. La entrada y salida de naves se controla mediante agarres magnéticos de forma automática. Hay una plataforma ascensor que eleva la nave escogida del nivel inferior donde están almacenadas. En los dos laterales de este nivel se almacenan naves pequeñas, cazas, lanzaderas, naves-obrera, sondas, etc. que se guardan como si fueran paquetes. En el nivel inferior se almacenan las fragatas. Naves grandes de 30 metros de largo por 12 de ancho. Éste nivel puede girar alrededor de su eje central de forma que se puede colocar la fragata requerida debajo del la plataforma elevadora. La parte central de ambos niveles contiene talleres. Todo el sistema esta automatizado y controlado por robots con múltiples articulaciones en forma de araña. Hay que recordar que aquí sólo hay gravedad durante la aceleración y el frenado. La mayor parte del tiempo y, de hecho, en los momentos en que se suelen utilizar las naves, no hay gravedad.

Motores: Aquí no solo están los motores de impulso y los generadores de energía sino también la fábrica de antimateria a partir del hidrógeno. Ésta parte sólo se utiliza durante el proceso de recarga del combustible.

Tanques de Deuterio: Dieciocho depósitos esféricos conteniendo deuterio líquido, capaces de almacenar mas de 16.000 Tn cada uno.

Tanques de Antimateria: Dieciocho tanques especiales de contención de antimateria, capaces para 900 Tn. Dotados con un sistema de campos magnéticos a fin de contener el plasma de antiprotones flotando en su interior.

Tobera: Es una enorme semicircunferencia metálica de un material altamente resistente a la temperatura, capaz de enfocar el plasma de hidrógeno saliente recibiendo así el empuje que impulsa la nave.

Naves Auxiliares

Una de las cosas más interesantes a nivel de juego es la miríada de pequeñas naves diferentes que puede llevar una nave como la Odín. Algunas de éstas no son más que robots adecuados para el movimiento en el exterior de la nave pero otras son verdaderas naves de exploración en sí mismas.

Drones (nibelungos): Naves obreras ideadas para las operaciones en el exterior de la nave: reparaciones, cambio de elementos, etc. Tienen un cuerpo central ovoide, capaz de contener una persona, dotado de múltiples articulaciones que le hacen parecer una araña. El hecho de que una persona pueda viajar en su interior es un elemento raramente utilizado. Normalmente son controladas remotamente. Se impulsan con pequeñas descargas de gas que esta contenido en pequeños depósitos reemplazables. Hay un número muy grande de ellas y los talleres del hangar pueden fabricar más si es necesario.

Sondas: Naves parecidas a los satélites artificiales actuales. Con un pequeño motor de impulso de materia-antimateria capaz de viajes interplanetarios y repleta de detectores de todo tipo. También hay un número muy grande y es posible fabricarlos aunque es bastante más difícil que con los drones.

Cazas (valkirias): Cazas de combate, de unos 6 metros de largo y parecidos a los cazas de ala ancha actuales con asientos para dos personas. Son capaces de vuelo atmosférico y tienen un motor de impulso de combustible químico que puede funcionar en el vacío del espacio. La Odín tiene dos escuadras de 24 cazas.

Lanzaderas: Parecidas a los cazas pero algo más grandes, de unos 8 metros de largo. Pueden llevar hasta 8 personas cómodamente. Tienen una gran capacidad de carga y una potencia de combate mínima. También son impulsados por combustible químico y tienen capacidad atmosférica aunque no son tan aerodinámicos como los cazas. La Odín tiene 36 lanzaderas en sus almacenes del hangar.

Fragatas (Aesir): Son ocho naves grandes, de 30 metros de largo y unas 1200 Tn. Tienen un motor de antimateria. Sus depósitos de combustible sólo suponen un 5% del peso total (60 Tn de combustible de las que 3 son de antiprotones) que les permite hacer 50 maniobras de impulso antes de repostar: normalmente ejercen una aceleración de 1 g durante unas 4 horas para llegar a una velocidad de crucero que les permite recorrer una unidad astronómica en 12 días (cuando llegan cerca del destino han de frenar durante otras 4 horas, claro). Esto quiere decir que para un viaje estándar gastan dos impulsos de los 50 de que disponen. La sección frontal de la nave (unos 9 m) puede rotar dotando de gravedad artificial a la tripulación. Esta sección tiene capacidad para 12 personas. Pueden llevar dos lanzaderas, tres cazas o una lanzadera y dos cazas (para una misión de exploración llevan dos lanzaderas), además de una cantidad apreciable de sondas (20 – 30). No están pensadas para aterrizar aunque se podría hacer en caso de emergencia. Para descender al planeta tienen las lanzaderas.

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