Segle XXI: Magnetisme

Si el segle XX pot ser conegut com el segle en el qual el desenvolupament de l’electricitat va servir  gairebé per a qualsevol ús, com ràdio, ordinadors, làsers, el segle XXI serà el del magnetisme.

En el moviment d’un cotxe per una carretera, la benzina que ens proporciona la impulsió serveix per a vèncer dos tipus de resistències. La primera el fregament de les rodes amb el terra i la segona la fricció de l’aire que tenim al davant. Si imaginem que la carretera fos una pista de gel, amb un simple impuls podríem avançar molts metres, doncs no tindríem el fregament del terra. El consum de benzina o electricitat, depenent del tipus de vehicle, seria mínim.

La major part de les centrals elèctriques es troben prop de les ciutats. El motiu és ben senzill, un 30% de l'electricitat generada a la planta es perd en la transmissió pels cables. No heu observat mai com s’arriba a escalfar un ordinador quan treballa o un carregador de mòbil quan l’endollem ?. Els electrons que circulen, els productors de l’electricitat, van xocant amb la resta d’àtoms que formen el fil elèctric, normalment de coure, i ho escalfen.

Des del 1911 es coneix que el mercuri quan es refreda a 4ºK (-269ºC) perd tota la resistència elèctrica. S’ha convertit en un material superconductor. Els nuclis dels àtoms de la seva xarxa interna resten quiets, com congelats, i els electrons poden circular sense cap mena de despesa energètica.

Per aconseguir aquestes propietats en aquells moments calia baixar prop del zero absolut. Cap el 1986 els físics van aconseguir les mateixes propietats en altres materials, ara ceràmics, sense tenir que baixar tant. Ho van fer a la temperatura de 92 ºK (-181ºC). A aquest nivell ja es podia fer servir nitrogen líquid, producte ja comercial que bull a 77ºK. Tot un èxit de la ciència.

El següent pas era clar, aconseguir aquest superconductivitat a temperatura ambient. Aquesta nova tecnologia ens permetria una nova gamma de productes com ordinadors ultra-ràpids i transferència de dades a molt alta velocitat.

El darrer rècord en superconductivitat a altes temperatures es va batre el 2018 a l’Institut Max Planck de Química a Mainz (Alemanya) per part de Mikhail Eremets et al.. Van treballar amb hidrur de lantà (LaH10) a una temperatura de -23ºC únicament. Ara bé la pressió de treball era de 170 gigapascals, més o menys la meitat de la pressió que hi ha al nucli del planeta.

Pels que vulgueu esbrinar més busqueu fonó (quàntum d’energia d’una ona mecànica) i parell de Cooper (dos electrons units formant un bosó).

Quan s’aconsegueixi un material superconductor a temperatura ambient es podria emprear per molts altres fins, com transportar energia solar i eòlica a grans distàncies o incrementar la capacitat de les saturades xarxes elèctriques, així com en aplicacions en informàtica i medicina. També tindrem el cotxe i el tren magnètic. I per sobre de tot, reduiríem el consum d’energia i la producció de diòxid de carboni que ens escalfa el planeta.

Publicat a la revista "Els Colors del Pla de l'Estany" en el seu nº 250 de l'octubre de 2020

Preguntes d’astronomia

Quan es va fundar la Unió Astronòmica Internacional (IAU) el 1919 les preguntes que es feien els astrònoms eren d’aquest ordre.

- Què és l’Univers?

- La Terra és l’únic planeta amb vida?

- Com funciona l’interior del Sol?

- Podrem algun dia viatjar a l’espai?

- Té raó Einstein?

Les respostes que podríem donar ara el 2020, serien que coneixem millor l’Univers però que encara  no el coneixem del tot. Que la Terra segueix sent l’únic planeta amb vida coneguda, encara que tenim altres candidats que la podrien tenir o, haver tingut, però que encara no ho hem pogut estudiar perquè no hem pogut arribar a aquests llocs per poder-los estudiar. 

Sabem ben bé com funciona el Sol, ho va explicar el físic alemany Fritz Houtermans el 1929 amb l’anglès Robert Atkinson: els nuclis d’hidrogen es fusionen per formar heli i alliberen energia. Respecte dels viatges a l’espai, per ara són no tripulats i no hem anat més enllà de la zona d’influència del Sol (Voyager). Ens queden molts anys per fer viatges a altres estrelles i, molts més, per a fer-los tripulats. De la darrera pregunta, Einstein sembla que sí que tenia raó. Segueix sent una teoria, però cap experiment, per ara, l’ha pogut desmuntar.

Ara, quines preguntes ens fem el 2020?. Aquestes:

- Existeix més d’un univers?

- Trobarem mai la Teoria del Tot?

- Quan detectarem i trobarem vida extraterrestre?

- Podrà la humanitat esdevenir una civilització interplanetària?

- Estava Einstein equivocat?

No tenim cap prova de que existeixi més d’un univers, però algunes teories com la de cordes, son favorables a la seva existència, seria el multivers. 

La Teoria del Tot va lligada a la física quàntica i a la manera en que es poden lligar les quatre forces fonamentals de la naturalesa. Ja existeixen tres de lligades, les nuclears forta i feble amb l’electromagnètica en una sola teoria. Però la quarta força, la de la gravetat, per, raonaments quàntics, no es pot incorporar, per ara, a aquesta opció. Es podria dir que la gravetat afecta als cossos macroscòpics i les altres tres forces als microscòpics i no s’entenen entre ells.

Seria possible detectar si existeix, o ha existit, vida a altres indrets quan siguem capaços d’arribar a aquests llocs dels quals sospitem. Penso que ens queden algunes dècades. Per a fer-ho a exoplanetes, per ara, ens haurem de de conformar amb  saber que es troben dins de l’anomenada zona d’habitabilitat i de si es detecta presència d'aigua en el seu espectre atmosfèric.

Per esdevenir una civilització interplanetària ens queden molts segles. Per ara només és factible dins del món de la ciència ficció.

La teoria d’Einstein, com qualsevol teoria és susceptible de ser millorada i substituïda per una de nova, però per ara encara no ha succeït. Totes les proves experimentals han confirmat la seva teoria, darrerament, les mateixes ones gravitacionals.

Publicat a la revista "Els Colors del Pla de l'Estany" en el seu nº 249 del setembre de 2020

Ràfegues ràpides de ràdio

En el món de l’astronomia són conegudes pel seu acrònim anglès, Fast Ràdio Burst (FRB). La primera es va descobrir el 2007 i són emissions molt potents i molt concentrades en el temps. Poden emetre l‘energia que emet el Sol en un any, o més, en mil·lisegons. Moltes ja no es tornen a repetir mai més.

La primera detecció es va realitzar revisant dades històriques del 2001 per un estudiant de doctorat, David Narkevic, al radiotelescopi Parkes de Nova Gal·les del Sud (Austràlia). Es coneix com Pols Lorimer pel nom del director de la tesi. L’origen es trobava a una galàxia a 1.600 al de nosaltres, cap el Petit Núvol de Magallanes.

Es detecten per casualitat, cal tenir enfocat el radiotelescopi cap l’indret adequat al moment adequat, doncs poden provenir de qualsevol punt de l’espai. Algunes deteccions arriben a un nivell energètic tan elevat com les emissions del Sol en 10.000 anys en 1 sol mil·lisegon.

Es poden produir entre 2.000 i 10.000 FRB cada dia, però no les captem.

Al 2015, de nou estudiant dades prèvies, es va confirmar que una d’aquestes senyals ja s’havia repetit 10 cops. Aquesta font es va poder situar a una galàxia a 3.000 M d’al. El mateix any es va detectar una FRB en directe des del mateix observatori Parkes.

Al juny de 2020 es va descobrir que una font trobada el 2012 que es coneix com FRB 121102, emet d’una forma periòdica durant 90 dies i després reposa durant altres 67. Tenia un patró cíclic i, ara, s’han detectat patrons a d’altres estrelles. Aquesta periodicitat pot induir a pensar que es tracta d’un objecte amb una òrbita determinada. De senyals alienígenes res, descartades totalment.

L’origen encara no es coneix amb seguretat. Inicialment es pensava en esdeveniments cataclísmics, com xocs entre estrelles de neutrons o un forat negre engolint una estrella de neutrons. Ara aquestes teories ja s’han abandonat.

A l’actualitat es creu que el seu origen es troba en els magnetars, un tipus d’estrella de neutrons amb un camp magnètic molt potent, de l’ordre de 15 potències de 10 superior al de la Terra, que és de 0,6 gauss. Aquesta immens camp magnètic seria capaç de prendre't les claus de la butxaca des d’una distància com de la Terra a la Lluna.

Actualment, es considera que de cada deu explosions de supernoves, solament una dóna origen al naixement d'un magnetar. Fins ara totes les deteccions corresponien a explosions fora de la nostra galàxia, però enguany s’ha confirmat que també existeixen dins de la Via Làctia. Fins el moment l llista de FRB puja fins a 34 deteccions.

La vida d’un magnetar, degut a les seves immenses emissions d’energia és curta, uns 10.000 anys. Es creu que a la nostra galàxia poden existir les restes d’uns 30 milions de magnetar ja inactius.

Aquestes emissions puntuals i molt direccionals, les podríem comparar amb terratrèmols a la superfície de l’estrella.

Publicat a la revista "Els Colors del Pla de l'Estany" en el seu nº 248 de l'agost de 2020

Mineria d'asteroides

En cert  sentit, els asteroides són mines d’or voladores per l’espai exterior. Per exemple, al juny de 2015, un d’ells va passar a 1,6 milions de quilòmetres de la Terra, com quatre vegades la distància entre la Terra i la Lluna. Tenia uns 900 metres de diàmetre i es va calcular que el seu nucli contenia 90 milions de tones de platí, valorades en 5,4 bilions de dòlars1. Si és que el preu es manté.

Amb aquestes possibilitats de negoci no és estrany que sorgeixin empreses com Planetary Resources, empresa fundada al 2012 per extreure minerals valuosos dels asteroides i portar-los a la Terra. Els fundadors va ser gent de Silicon Valley, relacionats amb Google i el director de cinema d’Avatar, James Cameron.

A la seva pàgina de la xarxa indiquen que volen proveir recursos per alimentar la indústria i sostenir  la vida a l’espai. Indiquen que existeixen 16.000 asteroides propers a la Terra que són fàcilment més accessibles que la Lluna i que estan formats per recursos naturals que accelerarien l’exploració  i el desenvolupament de l’espai profund de la humanitat. Calculen que hi ha dos bilions de tones d’aigua disponibles en aquests asteroides que es podria utilitzar per mantenir la vida humana i, també, com a propulsors de naus espacials.

Només ens caldria imaginar que enviem una, o unes, naus espacials a algun asteroide on hi hagi recursos, com aigua, combustible i altres minerals que ens permetin establir una base amb persones.

Sortir després d’allà per anar a un altre asteroide no seria tan costós ni difícil com sortir de la Terra. Així saltant d’un asteroide a un altre es podria arribar a l’extrem del núvol d’Oort del nostre sistema solar que ja es barreja amb el cinturó d’asteroides de la nostra veïna Alfa Centaure. Així entraríem a dins de la seva influència i la humanitat podria marxar de la nostre estrella abans que la vida en el sistema solar fos insostenible.

Foto: Planetary Resources

Segons el seu programa, a deu anys vista, les seves missions a l’espai podrien identificar quins són els asteroides que contenen més aigua i la facilitat que presenta per a ser extreta. La segona missió la van llançar el 12 de gener de 2018 a bord d’un coet indi que contenia la petita sonda Arkyd-6 per comprovar que el seu sistema de detecció d'infraroig funcionava correctament, tot voltant la Terra. El seu proper objectiu seria el llançament d’un telescopi espacial compacte, l’Arkyd-100.

Igual que aquesta empresa, existeix una segona nomenada Deep Space Industries que ara és Bradford-Space, que també planteja els mateixos objectius.

Cal recordar que l’aigua seria la base per la hidratació dels astronautes, fer créixer vegetals i protegir de la radiació. I que si la descomponen es pot utilitzar la barreja d’hidrogen i oxigen com combustible per les naus i aquest, ara sol, per respirar.

Pensem que si disposem d’aigua i combustible en òrbita tindrem molta més capacitat de transport en el coets, ja que no l’hauran de carregar, ho trobaran en destí. 

1- Michio Kaku, El futuro de la humanidad, Editorial Debate. 2018

Publicat a la revista "Els Colors del Pla de l'Estany" en el seu nº 247 del juliol de 2020

El futur dels asteroides

Un asteroide és un objecte sòlid, compost majoritàriament per roca i metalls, més petit que un planeta i que orbita al voltant del Sol. El primer d’ells el va descobrir en Piazzi al 1801, Ceres, avui planeta nan. Feia vora de 1.000 km de diàmetre.  Actualment hi ha més de 200.000 catalogats. El terme el va assignar en William Herschel al 1802 quan va descobrir el segon, Pal·les que mesura uns 500 km.

Existeix un especial interès per identificar aquests asteroides a causa del perill que representen per a la Terra, coneguts per NEO’s i que podrien arribar a impactar amb el planeta.

Però a més d’aquest interès, existeix un altre que busca conèixer l’origen i la composició dels mateixos. Així, les agències espacials volen enviar dues sondes per a estudiar com evitar l’impacte d’un asteroide contra la Terra, com AIDA i Don Quixot. O altres, ja enviades, per posar-se damunt de l’asteroide i prendre mostres, com:

- Near-Shoemaker, llançada el 1996 i que va aterrar el 2001 a Eros

- Rosetta, llançada 2003, va visitar el cometa Txurimov/Geramisenko amb la sonda Philae el 2014.  També visità els asteroides Steins i Lutetia

- Deep Impact, llançada el 2005, va impactar amb el cometa Temple-1 al juliol del mateix any

- Hayabusa, llançada el 2003 per Jaxa, va aterrar sobre l’asteroide Itokawa i va prendre mostres de material i va tornar a la Terra el 2010 amb unes 2.000 partícules de pols

- Hayabusa2, llançada el 2014 per Jaxa, va aterrar sobre l’asteroide Ryugu. Les mostres de material arribaran a la Terra el desembre de 2020

- Osiris-Rex, llançada el 2016, va arribar a l’asteroide Bennu el desembre de 2018 i ara l’està estudiant. Es posarà al seu damunt el 2020 i tornarà amb les mostres a Terra el 2023.

Asteroide Itokawa

Però darrera d’aquest interès científic existeix un segon, l’explotació dels minerals que contenen els propis asteroides. Bàsicament estan formats per ferro, níquel, carboni i cobalt, però també contenen altres quantitats significatives de terres rares i metalls valuosos, com platí, pal·ladi, rodi, ruteni, iridi i osmi. Aquests elements també es troben de forma natural al nostre planeta, però són molts escassos i molt rars.

Dins les properes dècades, conforme es vagin esgotant les reserves d’aquest minerals a la Terra, acabarà resultant econòmic buscar-los en el cinturó d’asteroides. I si a algun d’ells se li pot donar una petita empenta de forma que quedés orbitant al voltant de la Lluna, tant millor. Es podria explotar encara més fàcilment. De fet ja estan localitzats una dotzena d’asteroides d’entre 3 i 21 metres de diàmetre, que es podrien desviar cap a òrbites lunar o terrestre amb una petita desviació de la seva òrbita.

També podrien servir coma base intermèdia per a possibles vols espacials, en especial, si comptem amb les seves reserves de gel, o sigui aigua, i que també es pot descompondre en oxigen per respirar i, barrejat amb l’hidrogen com combustible.

Publicat a la revista "Els Colors del Pla de l'Estany" en el seu nº 246 del juny de 2020

El combustible dels coets

Segons la 1ª llei de Newton nosaltres estem enganxats al terra perquè la Terra ens atrau per la força de la gravetat. Per aquest motiu quan volem llançar un coet enlaire li hem de donar prou empenta com per vèncer aquest força que el reté. Per posar un coet en òrbita aquest ha d’assolir com a mínim la velocitat d’11,2 km/s, sinó torna a caure cap el terra.

Si el coet s’enlairés des de Júpiter, si fos possible, li caldria una velocitat de 59,5 km/ i si fos des del Sol li caldria arribar fins a 617,5 km/s.

El funcionament d’un coet es basa en la 3ª llei de Newton, que vol dir que quan s’aplica una força en un sentit apareix una altra en sentit contrari. Veiem un cas vulgar, tenim un globus inflat i el deixem anar, començarà a volar empès per l’aire que se li escapa de dintre fins que se li acabi aquest i caigui al terra.

A un coet li passa quelcom similar, tenim una cambra de combustió on cremem uns productes i els gasos que es creen els fem sortir per un forat (la tovera) i provoquen una força en sentit contrari que fa pujar el coet enlaire. Aquesta força cal aplicar-la durant un temps per aconseguir que el coet, i tota la seva massa, accelerin, fins obtenir la velocitat necessària. Normalment s’utilitzen combustibles químics, coneguts com propergols, poden ser en forma sòlida o líquida, com la nitrocel·lulosa o la hidrazina.

La diferència bàsica entre ells és la seva facilitat de manipulació i la forma de fer-los cremar per a obtenir la força per enlairar el coet. Cal recordar que a l’espai no tenim oxigen per utilitzar com comburent, la part que oxida el combustible i el fa cremar.

Parts d'un coet. (Enciclopèdia Catalana)

Així el propergol sòlid crema de forma espontània un cop iniciada la combustió, dóna una major acceleració però no és tan eficaç en termes energètics. S’utilitza per coets militars. El propergol líquid proporciona acceleracions més febles però amb un major rendiment. Recordem que entre el 80-90% del pes del coets correspon als combustibles. Per aquest motiu la major part dels coets tenen fases, per anar-se’n desprenent, deixant pes, conforme cremen el combustible d’un dipòsit. Els coets Saturn dels Apolo tenien 3 fases. Aquests combustibles no són aptes per a naus en viatges interestel·lars.

Altres models de coets utilitzen motors de fusió, com el projecte Daedalus, o fissió nuclear,  com el projecte Orió de la NASA. El problema greu que generen és la greu contaminació que provoquen per l’ús de material radioactius. No van passar de models teòrics.

L’únic combustible alternatiu al químic ha estat el de motor iònic. El combustible és un gas ionitzat accelerat electroestàticament. Produeix acceleracions molt baixes però es poden aplicar durant molt de temps, consumint molt poc combustible. Es va aplicar a la nau Deep Space I.

Tots els coets es llencen en la direcció de la rotació de la Terra i, si es pot, la base de llançament ben a prop de l’equador terrestre, per aprofitar-la al màxim i estalviar combustible.

Publicat a la revista "Els Colors del Pla de l'Estany" en el seu nº 245 de maig de 2020

Civilitzacions avançades

L’estrella KIC 8462852, situada a 1.400 anys llum de la Terra, entre Cigne i Lira, presenta una anomalia sorprenent. També se la coneix com estel de Tabby. Des del 1890 s’atenua la seva llum periòdicament i encara no se sap la raó. Al juny de 2011 ho va fer en un 15%. Al 2013 en un 22%. Res que conegui la ciència pot reduir la llum estelar fins aquests nivells. Penseu que quan un planeta de la mida de Júpiter passa pel davant de la seva estrella mare només atenua la seva llum en un 1%.

Fins i tot es va pensar que podria tractar-se d’una esfera de Dyson. Una esfera gegantina, dissenyada per recollir tota l’energia que produeix una estrella. Aquest tipus d’esfera la va proposar Olaf Stapledon al 1937 i la va reprendre en Freeman Dyson al 1960 com una hipotètica estructura capaç de capturar tota l’energia que emet una estrella.

Una civilització capaç de fer això seria de tipus II segons l’escala de Kardaixov, astrofísic rus nascut a Moscou al 1932. L’escala que proposa serviria per mesurar el grau de desenvolupament tecnològic d’una civilització. Té tres categories, anomenades Tipus I, II i III, basades en la quantitat d’energia utilitzable que té una civilització a la seva disposició. Aquesta s’incrementa de forma exponencial.

- La Tipus I es refereix a una civilització que utilitza tota l’energia de la llum solar que li cau damunt del planeta.

- La Tipus II utilitzaria tota l’energia que produeix la seva estrella

- La Tipus III utilitzaria tota l’energia que produeix la seva galàxia

Així en una civilització Tipus I, calculant quanta llum solar cau damunt d’un metre quadrat del nostre planeta, suposaria, tota ella, una potència de 7·10⁷ watts, o sigui cent mil cops més que la producció anual d’energia en el planeta.

Com que sabem quin percentatge de l’energia solar cau damunt de la Terra, podríem saber l‘energia total que produeix el Sol, 4·10²⁶ watts. Aquesta seria la disponible per una civilització Tipus II.

En el tercer cas caldria multiplicar la darrera xifra pel nombre d’estrelles que hi ha en una galàxia (10¹¹), per tant una civilització Tipus III disposaria de 4·10³⁷ watts.

Actualment a la Terra, considerant el consum energètic total del planeta, estaríem en una civilització de Tipus 0,7. Estimant un creixement anual de producció d’energia d’entre el 2 i el 3% ens faltaria, encara, entre un segle i dos per arribar a ser un Tipus I ple. Arribar a un Tipus II ens podria costar diversos milers d’anys i per a ser Tipus III, entre cent mil i un milió d’anys.

Per arribar al nivell I hauríem de capturar tota l’energia que ens envia el Sol, potser es podria fer posant molts miralls molt grans en òrbita que reflectissin vers la Terra tota l’energia que captessin. L’atmosfera reté el 60% de l’energia que la travessa. Per arribar al nivell següent caldria construir una esfera de Dyson feta amb nanomaterials per robots situats a la Lluna. El pas a nivell III sembla, per ara, massa ciència ficció.

1- Michio Kaku, El futuro de la humanidad, Editorial Debate. 2018

Publicat a la revista "Els Colors del Pla de l'Estany" en el seu nº 244 d'abril de 2020