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08/10/2016

Coriolis, sin hielo

Vi la primera temporada de una serie "espacial" que me gustó bastante, The Expanse. Me atrajo especialmente el realismo de los escenarios y de la tecnología: no hay velocidad warp, no hay viajes interestelares, no hay teletransportación, no hay subespacio ni hiperespacio ni comunicaciones instantáneas, no hay holocubiertas ni duplicadores de alimentos. No hay telepatía ni telekinesis. No hay alienígenas humanoides, sólo una especie de agente infeccioso de origen desconocido.

Lo que sí hay es gravedad artificial. Pero ojo: no creada con materiales exóticos ni campos de fuerza. No señor. En The Expanse lo único que hay es el principio de equivalencia: las naves tienen unos cohetes muy sofisticados y aceleran permanentemente. Como explica Einstein y hemos contado aquí, la situación es casi indistinguible de la gravedad posta producida por un planeta.

En The Expanse la humanidad se ha extendido por todo el sistema solar: la Luna y Marte están colonizados, y también muchos asteroides. Pero los asteroides son muy pequeños como para vivir confortablemente en su escasa gravedad. Así que tienen una gravedad artificial similar a la de las naves: los han puesto a girar como locos, y viven del lado de adentro, en túneles, con los pies hacia afuera, sostenidos por una gravedad "centrífuga". El mayor de los asteroides, Ceres, tiene una población de muchos millones, y buena parte de la acción transcurre allí.

Según se nos explica, los asteroides giran lo suficientemente rápido como para producir un tercio de gravedad terrestre. El cálculo es muy fácil. La aceleración centrífuga en un sistema en rotación es:

Centrífuga:  ω2 R = (1/3) 9.8 m/s2

Para el radio de Ceres, que es de 470 km, calculamos omega y da un período de 40 minutos. Fenómeno.

Algunos recordarán que, en un sistema en rotación, además de aceleración centrífuga hay otra aceleración, la de Coriolis. Y la serie terminó de engancharme cuando uno de los protagonistas se sirve un whisky y el chorro hace esto:


Una hélice, exactamente lo que debe hacer un chorro de whisky al ser servido en un sistema en rotación. El protagonista, un policía nativo de Ceres, no tiene ningún problema en compensar la rara trayectoria que confundiría a más de un barman terrestre.

Pero, ¿no estará muy exagerado el efecto? Después de todo la Tierra también es un sistema en rotación. Y si bien tenemos efecto Coriolis en los huracanes, no necesitamos un "malabarman" para servir whisky. Veamos. La aceleración de Coriolis depende de la velocidad:

Coriolis: 2 ω v

De la imagen podemos estimar que la fuerza de Coriolis sobre el whisky es más o menos un quinto de la "pseudogravitatoria". Si igualamos:

2 ω v = (1/5) ω2 R

y ponemos el valor de ω que calculamos y el radio de Ceres, nos da v = 124 m/s, más de 400 km/h, lo cual es más rápido que lo que puede servir el más rápido barman de todo el sistema solar.

¿Entonces? ¿Fue un buen intento de realismo pero le pifiaron en el orden de magnitud? Tal vez no tanto. Se nos explica que hay túneles más profundos. Allí la gravedad centrífuga es menor, Coriolis es mayor, es más incómodo vivir, y es donde están los barrios más pobres. Justo donde vive el policía éste.

Podemos tratar de ver a qué profundidad el efecto sería apreciable. Calculamos y nos da: v = 0.00026 r por segundo. Si r es 1000 metros, da v = 0.26 m/s = 26 cm/s, una velocidad razonable para el whisky.

¿Se puede vivir a 1 kilómetro del centro de Ceres? ¿A 469 km debajo de la superficie? Yo creo que es imposible: debajo de la corteza de hielo, Ceres tiene un manto de roca y un núcleo de hierro. Es como un planetita. Excavar una colonia llegando hasta 1 km del centro parece no sólo extremadamente difícil, sino ridículamente innecesario. ¡Pero atención! Ese efecto Coriolis es el que ocurre no sólo a 1 km del centro del asteroide, ¡sino a 1 km todo a lo largo del eje de rotación! Eso es mucho más razonable: túneles de hielo o roca, a no mucha profundidad, en latitudes altas, cerca de los polos y del eje de rotación. Lo que está mal es el mapa del subte, que muestra los túneles espiralando hacia el centro.

Claro que, a 1000 metros del eje de rotación, la pseudogravedad centrífuga es menos de un milésimo de la terrestre... Así que no: el efecto del whisky no es realista. Menos mal, porque si no, ¿se imaginan los baños públicos de Ceres?


La imagen de Ceres es de Dawn (NASA/JPL/Dawn), que está actualmente en órbita del asteroide. Las otras son de SyFy.

24/01/2015

Cuerpos menores

2015 va a ser un gran año para la exploración de cuerpos menores del sistema solar: una inmensa población de la cual sabemos todavía muy poco...

Ceres. La sonda Dawn llegará al asteroide gigante Ceres en marzo o abril, y entrará en órbita para quedarse allí varios meses. Dawn ya se pasó un año estudiando el asteroide Vesta, y sus descubrimientos fueron extraordinarios. (La imagen de aquí a la derecha muestra a Vesta, con su gigantesca montaña ocupando el polo sur. Cuerpos como éste contribuyeron a formar la Tierra hace 4 mil millones de años.) Ceres promete ser mejor todavía. A fines de este mes las imágenes tomadas por Dawn serán mejores que las que podemos ver con el Telescopio Hubble, así que se vienen unos meses interesantes.

Plutón. El 14 de julio el robot New Horizons pasará fugazmente por Plutón-Caronte y sus satélites. No tenemos ni idea de cómo son estos cuerpos del cinturón de Fernández vistos de cerca, sus superficies, sus atmósferas. New Horizons está increíblemente lejos de nosotros. Toda su exploración será automática, y los resultados enviados a la Tierra cuando todo haya pasado. Hice un videíto de la aproximación en Celestia, mostrando la ingeniosa maniobra que permitirá eclipsar el Sol tras Plutón primero y Caronte después para ver sus eventuales atmósferas.



El año del cometa. ¡Hay un robot orbitando un cometa! ¡Y otro en su superficie! Se trata de Rosetta y Philae, que en noviembre de 2014 comenzaron la exploración del cometa periódico 67P Churymov-Gerasymenko. El cometa tiene una órbita bastante corta, de 6 años y medio, y alcanzará su máximo acercamiento al Sol en agosto de 2015. Durante todo este año los robots lo escudriñarán minuciosamente. Philae tuvo un inconveniente durante el aterrizaje y se encuentra actualmente hibernando con sus baterías descargadas, pero es posible que en poco tiempo se despierte al cambiar la iluminación del sitio donde se encuentra. Rosetta, en órbita, está funcionando perfectamente. Ambos tienen un impresionante arsenal de instrumentos científicos para analizar por primera vez de cerca un cometa, incluyendo los procesos que forman la espléndida cola que les da el nombre (ver en la imagen: ¡la cola ya se está formando!). Hace muchísimo tiempo 67P también era un cuerpo del cinturón de Fernández, como Plutón, más allá de Neptuno. Hoy da testimonio del dinamismo que los planetas gigantes imponen en las órbitas de los cuerpos menores del sistema solar. Hace décadas se conjetura que el agua de la Tierra fue traída por los cometas. Los descubrimientos de Rosetta parecen indicar que no, que la cosa es complicada, y que tal vez la mayor parte haya venido de los asteroides. Los primeros resultados científicos ya están publicados en la revista Science, y accesibles gratuitamente.

Saturno. No, Saturno no es un cuerpo menor. Pero en 2015 Cassini cambiará de órbita para hacer sobrevuelos cercanos de Titán, Dione y Encélado, y menos cercanos de los pequeños Epimeteo, Prometeo y Egeón. La nueva órbita pondrá de nuevo a Cassini en el plano de los anillos, así que volveremos a ver hermosas escenas como ésta...


A propósito del Cinturón de Fernández: ¿Cuántos más cuerpos grandes tendrá? Probablemente no más que los que ya conocemos, según comentó hace poco Mike Brown, el descubridor de Eris hace 10 años, en su blog Mike Brown's Planets...

Fuentes de las imágenes. Vesta: NASA/JPL-Caltech/UCAL/MPS/DLR/IDA; 67P: ESA/Rosetta/NAVCAM; Saturno: NASA/JPL/M. Canale; video de Plutón: mío mío mío.