En 1960, el físico visionario Freeman Dyson propuso que una civilización alienígena avanzada algún día dejaría de perder el tiempo con cosas de jardín de infantes como turbinas eólicas y reactores nucleares y finalmente se volvería grande, encerrando completamente su estrella natal para capturar tanta energía solar como fuera posible. Luego usarían esa enorme cantidad de energía para extraer bitcoins, hacer videos divertidos en las redes sociales, profundizar en los misterios más profundos del Universo y disfrutar de las bondades de su civilización rica en energía.

Pero, ¿y si la civilización alienígena fuéramos… nosotros? ¿Y si decidiéramos construir una esfera de Dyson alrededor de nuestro sol? ¿Podemos hacerlo? ¿Cuánta energía nos costaría reorganizar nuestro sistema solar y cuánto tiempo llevaría recuperar nuestra inversión? Antes de pensar demasiado en si la humanidad es capaz de esta asombrosa hazaña, incluso teóricamente, debemos decidir si vale la pena el esfuerzo. ¿Podemos realmente lograr una ganancia neta de energía construyendo una esfera Dyson?

Vacas Dyson esféricas

Diré desde el principio que soy un cosmólogo teórico, no un ingeniero. No tengo absolutamente ninguna idea de cómo construir un puente, y mucho menos una estructura que remodele la cara misma de nuestro Sistema Solar. Pero estoy dispuesto a apostar que nadie sabe cómo participar en este tipo de desafíos de megaingeniería. No podemos decir con certeza qué tipo de avances en qué tecnologías serían necesarios para construir una estructura que encierra incluso parcialmente al sol. Especular sobre eso sería ciencia ficción: divertido, pero no muy sustancioso.

Sin embargo, lo que sí sé es física, y hay algunas cosas que podemos decir sobre la física de una esfera Dyson. Podemos usar la construcción de uno como un experimento mental para explorar los principios fundamentales de la energía, la órbita y el movimiento. Y esto es importante porque no importa qué tecnología, tan avanzada, es indistinguible de la magia, se les ocurra a nuestros descendientes que les permita destrozar planetas, todavía tienen que enfrentar las frías y duras realidades de nuestra física. No pueden obtener algo por nada. Si quieren volver a esculpir un planeta, eso requiere energía. Si quieren mover un panel solar del tamaño de una montaña a una órbita diferente, eso también requiere energía.

Por estas y muchas otras razones, una esfera Dyson cuesta energía. Así que vamos a ver cuánto tiempo llevará recuperar la inversión energética de construir uno y cuál podría ser el diseño óptimo para minimizar la inversión inicial.

Para llegar a algunos números, vamos a hacer muchas suposiciones. A la gente le gusta burlarse de los físicos por simplificar problemas complejos, a veces más allá del reconocimiento. El viejo chiste dice que los productores de leche se acercaron a una universidad cercana para ayudar a comprender por qué la producción de leche era baja, y la respuesta de los físicos comenzó asumiendo que las vacas eran esféricas.

Pero hay algo poderoso en este enfoque simplificador, por lo que los físicos están capacitados en él desde el primer día. Primero, nos permite responder preguntas cuando no estamos interesados ​​en números precisos desde el principio. Aquí, solo queremos una sensación general de viabilidad: ¿construir una esfera Dyson requerirá una cantidad de energía (relativamente) pequeña, mediana o extrema En segundo lugar, simplificar el problema ayuda a encubrir errores (ya sea en los cálculos o en nuestras suposiciones iniciales). Si todo lo que buscamos es un estadio general, entonces un error de factor de dos (o incluso 10 o 100) realmente no cambiará las intuiciones generales que permiten nuestros cálculos.

Por último, literalmente no sabemos cómo construir una esfera Dyson, por lo que tratar de buscar algo más complejo simplemente nos llevará a introducir muchas más suposiciones para manejar todos los pequeños detalles. Cada una de esas suposiciones aumentará la incertidumbre de cualquier número que produzcamos, y esa incertidumbre probablemente terminará enterrada en el análisis en lugar de ser declarada de manera práctica por adelantado.

Supuestos operativos

En cuanto a las suposiciones, esto es lo que haré por el resto de esta historia. Siéntase libre de hacer sus propias modificaciones. Espero sinceramente que este artículo no proporcione una fórmula para la construcción de Dyson, sino un trampolín para una discusión divertida.

El objetivo aquí es convertir planetas enteros en recolectores de energía solar. No sabemos y no nos importa qué método usarán nuestros descendientes para capturar y almacenar energía, así que asumiré que nuestro recolector de energía (por ejemplo, un segmento de la esfera de Dyson) estará hecho de material que se encuentra actualmente en las rocas, por lo que tendrá la misma densidad media que la propia Tierra. Mantendré esta suposición cuando pasemos a desmantelar otros planetas (centrándonos en su porción rocosa según sea necesario).

También supondré que cualquier elemento que necesitemos para construir nuestra esfera Dyson estará presente en las cantidades que necesitamos. Me imagino que esta es una suposición bastante justa; después de todo, estamos hablando de recoger mundos enteros y convertirlos en otra cosa, por lo que hay mucho material con el que trabajar.

Por último, supondré que nuestra esfera Dyson tendrá un grosor y una densidad uniformes en todo su volumen y que cualquier segmento de nuestra esfera es una aproximación lo suficientemente buena para su estructura general. No importa si opta por la idea original de la esfera de Dyson o simplemente por un “enjambre” de paneles gigantes. De cualquier manera, lo que me importa es la fracción de esfera que cubrirá nuestra estructura cuando se coloque en una órbita particular.

En cuanto al grosor y la eficiencia del panel, jugaremos con esos números mientras exploramos nuestras opciones.

Desatar la tierra

Incluso si tuviéramos que cubrir toda la superficie de la Tierra con paneles solares, solo capturaríamos menos de una décima parte de una milmillonésima parte de toda la energía que produce nuestro sol. La mayor parte simplemente irradia inútilmente al espacio vacío. Tendremos que evitar que esa energía se irradie si queremos alcanzar el estado de Gran Civilización Galáctica, por lo que debemos hacer una pequeña remodelación. No queremos que solo la superficie de la Tierra capture la energía solar; queremos extender la Tierra para capturar más energía.

Así que vamos a desmantelar la Tierra y convertirla en paneles gigantes y delgados que orbiten alrededor del sol, cada uno de los cuales capturará la luz y la convertirá en energía. Para tener una idea general del nivel de dificultad aquí, podemos recurrir a una cantidad conocida como energía de enlace. Todas las partículas que componen la Tierra están pegadas entre sí por la fuerza de su atracción gravitatoria mutua. Si desea desmontar la Tierra, podría imaginarse recogiendo una partícula a la vez y arrojándola a la velocidad de escape.

Este proceso se vuelve más fácil a medida que avanza; con cada partícula desaparecida, la gravedad de la Tierra se reduce, lo que hace que la velocidad de escape de la siguiente partícula sea un poco más baja. Eventualmente, habrás eliminado cada partícula del planeta y oficialmente desatado nuestro mundo. De hecho, los humanos ya han comenzado este proceso; hemos lanzado con éxito aproximadamente 10,000-20,000 toneladas métricas de material a la órbita y más allá (y una buena fracción incluso se ha quedado allí). Solo nos quedan 5.971.999.999.999.999.990.000 toneladas métricas y estamos listos.

Si bien nuestros descendientes pueden inventar alguna forma ultrainteligente de minimizar el esfuerzo necesario para convertir nuestro planeta en una serie de paneles planos, la energía vinculante nos brinda un buen estadio de béisbol para la cantidad de energía necesaria para hacerlo. Para la Tierra, nuestra energía de enlace es de alrededor de 2,5×10 32 julios. Para darle una perspectiva, cada año, la humanidad entera consume alrededor de 5×10 20 Joules, un billón de veces menos.

Suponiendo que terminemos el trabajo de desmantelar nuestro planeta, será hora de reorganizarlo en la mayor esfera posible y luego usar eso para comenzar a aprovechar más energía solar de la que podemos ahora. Estamos listos para responder la pregunta clave: ¿Cuánto tiempo llevará recuperar la energía que gastamos en desvincular la Tierra en primer lugar?

Si asumimos que nuestro caparazón tiene un espesor de 1 kilómetro, eso nos dará un área de superficie equivalente a casi 2000 Tierras. No se acercará a cubrir nuestro sol, sin embargo, ya que en nuestra órbita, solo podría capturar alrededor del 0,0004 por ciento de toda la luz solar. Aún así, eso es una enorme mejora de lo que podemos obtener de un planeta completamente unido. Nuestro sol emite alrededor de 3,8×10 26 julios de energía cada segundo. Si asumimos que nuestro proceso de conversión de energía tiene una eficiencia del 10 por ciento, capturar incluso esa pequeña fracción nos permite recuperar nuestro gasto de energía vinculante en solo 60 000 años. Teniendo en cuenta la escala de megaingeniería en la que estamos operando, eso no es tan malo.

Si podemos reducir el grosor del panel a solo un metro y aumentar la eficiencia al 90 por ciento, podemos recuperar nuestra inversión en energía en unos pocos años. De ahí en adelante, es solo salsa.

¿Qué pasa con otros planetas? Si nos hemos encariñado demasiado con la Tierra como para hacerla pedazos, no hay problema: si podemos hacerlo aquí, podemos hacerlo en cualquier parte. Mercurio tiene la ventaja de que ya es agradable y está cerca del sol, por lo que desmantelarlo nos permitirá cubrir una fracción mayor de la producción solar. Pero también es un mundo más pequeño con menos material para trabajar. Con paneles de un kilómetro de espesor hechos de Mercurio (y no, ya sabes, mercurio), podríamos capturar el 0,0001 por ciento de la producción solar. Con una eficiencia del 10 por ciento, recuperaríamos nuestro costo de desvinculación de Mercurio en alrededor de mil años. Con paneles de un metro de espesor y una eficiencia del 90 por ciento, lograríamos una superficie equivalente a más de 100.000 Tierras y amortizaríamos nuestra inversión en menos de un año.

En el otro extremo del espectro, Júpiter es, con mucho, el planeta más masivo del Sistema Solar, por lo que debería ser un gran edificio Dyson. Pero es sobre todo gas; solo tiene alrededor de cinco materiales rocosos de la Tierra (teóricamente, no estamos seguros) enterrados bajo miles de kilómetros de gas en su mayoría inútil. Tendríamos que desvincular todo el maldito asunto, y entonces ni siquiera podremos usar la mayor parte de la masa del planeta. Cuando todo esté dicho y hecho, obtendríamos una superficie equivalente a 10.000 Tierras, pero en esa órbita distante, no es mejor que la capacidad de cobertura de Mercurio. Dado el enorme costo de desvincular a ese gigante gaseoso, se necesitarían cientos de millones de años para recuperar nuestro dinero.

El cambio a paneles más delgados y una mayor eficiencia mejora un poco la situación, lo que nos permite obtener un ROI positivo después de solo unos cientos de miles de años. Pero no somos una cultura especialmente paciente, por lo que sería una venta bastante difícil.

Moviendo montañas

Todos estos cálculos asumen que dejamos el material de cada planeta en su órbita actual. Pero si vamos a involucrarnos en la reestructuración de nuestro Sistema Solar, vayamos hasta el final. La cantidad de radiación que podemos captar con una determinada superficie disminuye con el cuadrado de la distancia al sol. Reduce esa distancia y la energía sube. Si pudiéramos mover las partes de nuestro planeta a una órbita más cercana, podríamos encerrar una fracción mayor de la producción de nuestra estrella.

Pero no existe tal cosa como un almuerzo gratis. Sí, el sol se encuentra en el centro del pozo gravitacional del Sistema Solar, por lo que, en cierto modo de ver las cosas, el sol está “cuesta abajo” del resto de los planetas. Podrías pensar que no debería costar mucho mover algo más cerca del sol. Pero los planetas ya están en movimiento, y para que cambien de órbita, primero tienes que cambiar su velocidad.

Hay muchos métodos para mover objetos de una órbita a otra. Para nuestros cálculos, tomaremos quizás el más sencillo: la transferencia de Hohmann. En nuestro caso, la transferencia comienza con una reducción en la velocidad de un planeta, lo que hace que caiga hacia el sol. Pero a medida que cae, irá más rápido. Si no hacemos nada al respecto, el planeta simplemente girará alrededor del sol y saldrá volando, siguiendo una larga órbita elíptica. Eso no es bueno para nosotros, así que tenemos que darle otro empujón para estacionarlo en la órbita que queremos.

Me gusta pensar en la transferencia de Hohmann como el equivalente orbital de enviar una pelota cuesta abajo a un amigo. Primero tienes que patear la pelota para que se mueva. Esto requiere energía. La pelota seguirá rodando, ganando velocidad a medida que avanza. Si tu amigo no hace nada, la pelota pasará rodando junto a él. En cambio, tienen que patearlo de nuevo, lo que requiere otra explosión de energía, para detener el balón en sus pies.

Podemos estimar la relación entre la órbita y la velocidad de un planeta, y la energía necesaria para moverse de una órbita a otra, con la ecuación vis-viva. El nombre en latín significa “fuerza viva” y es una reliquia de las concepciones medievales de energía y movimiento. Pero les garantizo que nuestros futuros descendientes todavía lo usarán para calcular sus presupuestos de energía para mover un planeta.

Volviendo a la Tierra, nunca podríamos esperar capturar toda la salida del sol con paneles Dyson de un kilómetro de espesor. Pero podríamos si estuviéramos un poco más cerca. Si moviéramos nuestro planeta a una décima parte de su órbita actual (o 0,1 unidades astronómicas), podríamos cubrir el 0,04 por ciento del sol, un aumento de cien veces en la producción de energía. Pero el acto de mover nuestro planeta costará alrededor de 10 veces más energía de la que necesitábamos para desatarlo.

Afortunadamente, con el aumento de la tasa de captura de energía, nuestro tiempo de ROI se reduce a solo 10 000 años, incluso con una eficiencia energética del panel de solo el 10 por ciento. Entonces podemos disfrutar de la energía adicional capturada durante eones por venir.

Para Mercurio, moverse realmente no funciona a nuestro favor. El mayor costo de energía de moverlo a 0.1 AU aumenta nuestro tiempo de recuperación a unos pocos miles de años.

Mover a Júpiter a la misma órbita, o al menos a las partes rocosas de su centro; podemos dejar a la deriva el hidrógeno y el helio), cuesta una enorme cantidad de energía, alrededor de 10 34 julios. Si no fuera por nuestros esfuerzos, podríamos cubrir casi el 20 por ciento del sol. Todavía nos tomaría más de un millón de años ver un retorno positivo de la inversión, pero después de eso, valdría la pena.

Para paneles más delgados de un metro de grosor que funcionan con una eficiencia del 90 por ciento, el juego cambia por completo. A 0,1 AU, la Tierra borraría un tercio del sol y obtendríamos un retorno de nuestra inversión en energía en aproximadamente un año. En cuanto a Júpiter, ni siquiera tendríamos que ir a 0,1 UA. A una distancia de aproximadamente un 30 por ciento más que eso, podríamos lograr lo inimaginable: encerrar completamente nuestro sol. Recuperaríamos nuestro costo de energía en solo unos pocos cientos de años, y luego podríamos poseer la totalidad de la producción del sol a partir de ese momento.

Así que ahí lo tiene: dependiendo de nuestro nivel de compromiso e ingenio de ingeniería, podríamos seguir las recomendaciones de Dyson y reestructurar nuestro Sistema Solar, capturando una fracción significativa de la producción del sol y destinando esa energía a cualquier propósito que deseemos. Pero como dije, no sé cómo hacer para lograr Dysonhood; lo dejaré como un ejercicio de tarea para mis amigos ingenieros.