¿Qué ocurrió el 17 de agosto en la historia de la ciencia y la tecnología? Esta fecha reúne problemas matemáticos que resistieron durante siglos, máquinas capaces de transformar calor en movimiento, los primeros pasos de la cohetería soviética, una misión diseñada para soportar el ambiente extremo de Venus, una expedición que llevó por primera vez un barco de superficie hasta el Polo Norte y una colisión cósmica observada simultáneamente mediante ondas gravitacionales y luz. El 17 de agosto de 1601 nació Pierre de Fermat, autor del célebre último teorema; en 1807 el barco de vapor de Robert Fulton comenzó su histórico viaje entre Nueva York y Albany; en 1933 despegó GIRD-09; en 1970 fue lanzada Venera 7; en 1977 el rompehielos nuclear Arktika alcanzó el Polo Norte; y en 2017 LIGO y Virgo detectaron GW170817, la fusión de dos estrellas de neutrones situada a unos 130 millones de años luz.
1601: nace Pierre de Fermat, el matemático del teorema que desafió al mundo
El 17 de agosto de 1601 nació en Beaumont-de-Lomagne, Francia, Pierre de Fermat.
Ejerció profesionalmente como jurista y magistrado, pero dedicó gran parte de su tiempo libre a resolver problemas matemáticos.
Sus investigaciones dejaron importantes aportaciones en:
- Teoría de números.
- Geometría analítica.
- Probabilidad.
- Óptica.
- Métodos precursores del cálculo.
- Estudio de máximos, mínimos y tangentes.
Su nombre continúa siendo conocido principalmente por una afirmación anotada en el margen de un libro: el llamado último teorema de Fermat.
Los números enteros y sus secretos
La teoría de números estudia propiedades de los números enteros:
..., −3, −2, −1, 0, 1, 2, 3, ...
Muchas preguntas parecen sencillas porque utilizan únicamente operaciones elementales.
Sin embargo, pueden esconder estructuras extremadamente profundas.
Algunos problemas preguntan:
- Qué números pueden escribirse como suma de cuadrados.
- Cómo se distribuyen los números primos.
- Qué ecuaciones poseen soluciones enteras.
- Cuándo una expresión es divisible por otra.
Fermat convirtió estos problemas en uno de los principales campos de la matemática moderna.
El teorema de Pitágoras
En un triángulo rectángulo se cumple:
a² + b² = c²
Existen muchas soluciones enteras.
Por ejemplo:
3² + 4² = 5²
porque:
9 + 16 = 25
También tenemos:
- 5² + 12² = 13².
- 8² + 15² = 17².
- 7² + 24² = 25².
Estas combinaciones reciben el nombre de ternas pitagóricas.
¿Qué ocurre al cambiar el exponente?
Fermat consideró la ecuación:
xn + yn = zn
Para n = 2 existen las ternas pitagóricas.
Fermat afirmó que, cuando n es un número entero mayor que dos, no existen soluciones enteras positivas no nulas.
Por ejemplo, no podemos encontrar enteros positivos que cumplan:
x³ + y³ = z³
ni:
x⁴ + y⁴ = z⁴
La anotación en el margen
Fermat escribió su afirmación junto a un problema de la obra Arithmetica de Diofanto.
Añadió que había encontrado una demostración verdaderamente maravillosa, pero que el margen era demasiado pequeño para contenerla.
No se conserva una demostración general escrita por Fermat.
La frase generó uno de los mayores desafíos de la historia de las matemáticas.
¿Poseía Fermat realmente una demostración?
La mayoría de especialistas considera improbable que Fermat dispusiera de una prueba correcta para todos los exponentes.
Las herramientas necesarias para la demostración moderna no existían en el siglo XVII.
Es posible que:
- Hubiera demostrado únicamente algunos casos.
- Cometiera un error.
- Creyera que un argumento parcial servía de manera general.
- Utilizara una idea que posteriormente descubrió que era incorrecta.
No podemos saberlo con certeza porque la supuesta demostración nunca apareció.
El descenso infinito
Fermat sí dejó una demostración para un caso relacionado con la cuarta potencia.
Utilizó un método denominado descenso infinito.
La idea puede resumirse así:
- Se supone que existe una solución entera.
- A partir de ella se construye otra solución más pequeña.
- El procedimiento podría repetirse indefinidamente.
- No puede existir una sucesión infinita de enteros positivos cada vez menores.
- La solución inicial era imposible.
Es una forma de demostración por contradicción.
Más de tres siglos de intentos
Durante generaciones, numerosos matemáticos demostraron casos particulares.
Los avances necesitaron desarrollar nuevas ideas sobre:
- Números complejos.
- Factorización.
- Curvas elípticas.
- Formas modulares.
- Representaciones algebraicas.
- Teoría de Galois.
El problema impulsó matemáticas que posteriormente encontraron aplicaciones mucho más amplias.
Andrew Wiles
El matemático británico Andrew Wiles conoció el teorema cuando era niño.
Décadas después descubrió una ruta para demostrarlo mediante una conexión con una conjetura sobre curvas elípticas y formas modulares.
Wiles trabajó durante años de manera reservada para evitar interrupciones y seguir una estrategia completa.
Curvas elípticas
Una curva elíptica puede expresarse mediante ecuaciones semejantes a:
y² = x³ + ax + b
A pesar de su nombre, no describe normalmente una elipse.
Estas curvas poseen una estructura algebraica que permite:
- Combinar puntos.
- Estudiar soluciones racionales.
- Construir sistemas criptográficos.
- Relacionar geometría y teoría de números.
Formas modulares
Las formas modulares son funciones altamente simétricas pertenecientes al análisis complejo.
Surgen en campos como:
- Teoría de números.
- Geometría algebraica.
- Física matemática.
- Teoría de representaciones.
Durante décadas se sospechó que determinadas curvas elípticas estaban relacionadas con formas modulares.
El puente que resolvió el problema
Gerhard Frey observó que una hipotética solución del último teorema permitiría construir una curva elíptica muy extraña.
Jean-Pierre Serre desarrolló la relación y Ken Ribet demostró que esa curva no podría ser modular.
Por tanto:
- Si todas las curvas elípticas del tipo necesario eran modulares,
- la curva asociada a una solución de Fermat no podría existir,
- y la supuesta solución tampoco existiría.
Wiles demostró la modularidad suficiente para completar esa cadena lógica.
El error de 1993
Wiles anunció una demostración en junio de 1993.
Durante la revisión apareció un problema importante dentro de uno de los argumentos.
La situación muestra la importancia de la comprobación matemática.
Una demostración no se acepta por la reputación de su autor, sino porque cada paso puede verificarse.
La corrección final
Después de meses de trabajo, Andrew Wiles y Richard Taylor encontraron una nueva manera de completar la parte defectuosa.
La prueba corregida fue anunciada en 1994 y publicada en 1995.
Más de trescientos cincuenta años después de la anotación de Fermat, el teorema quedó demostrado.
Fermat y la probabilidad
Fermat mantuvo correspondencia con Blaise Pascal sobre problemas de juegos de azar.
Uno de los problemas preguntaba cómo repartir correctamente el premio de una partida interrumpida.
La respuesta necesitaba considerar:
- Resultados posibles.
- Probabilidad de cada resultado.
- Posibilidades restantes de cada jugador.
Esta correspondencia contribuyó al nacimiento de la teoría matemática de la probabilidad.
El pequeño teorema de Fermat
Otro resultado asociado con Fermat afirma que, si p es primo y a no es divisible por p:
ap−1 ≡ 1 mod p
También puede escribirse:
ap ≡ a mod p
El resultado se utiliza en:
- Pruebas de primalidad.
- Aritmética modular.
- Criptografía.
- Teoría de códigos.
El principio de Fermat en óptica
Fermat también estudió la propagación de la luz.
Su principio establece que la trayectoria seguida entre dos puntos hace estacionario el tiempo de recorrido.
En situaciones sencillas puede interpretarse como la ruta que requiere menos tiempo.
El principio permite deducir:
- La reflexión.
- La refracción.
- La ley de Snell.
- Trayectorias de rayos en medios variables.
1807: el barco de vapor de Robert Fulton inicia su histórico viaje por el Hudson
El 17 de agosto de 1807 partió de Nueva York el North River Steamboat, construido por Robert Fulton con el apoyo financiero de Robert R. Livingston.
El barco navegó por el río Hudson hacia Albany transportando pasajeros.
El viaje demostró que la propulsión mediante vapor podía convertirse en un servicio comercial regular y no limitarse a experimentos aislados.
¿Se llamaba realmente Clermont?
El barco es conocido popularmente como Clermont.
Sin embargo, durante su servicio se conocía como North River Steamboat o simplemente Steamboat.
El nombre Clermont se popularizó posteriormente porque el barco realizó una parada en la propiedad de Livingston llamada Clermont.
Por ello resulta más preciso hablar del barco de Fulton o del North River Steamboat.
Fulton no inventó el barco de vapor
Antes de 1807 ya se habían construido embarcaciones impulsadas mediante vapor.
Inventores de diferentes países habían experimentado con:
- Ruedas de paletas.
- Bombas de chorro.
- Motores alternativos.
- Hélices primitivas.
- Barcos para ríos y canales.
La aportación decisiva de Fulton consistió en integrar la tecnología dentro de un sistema comercial viable.
La máquina de vapor
Una máquina de vapor transforma energía térmica en movimiento mecánico.
Su funcionamiento básico puede resumirse así:
- Se quema combustible para calentar agua.
- El agua se convierte en vapor.
- El vapor ejerce presión sobre un pistón.
- El pistón se desplaza.
- Un mecanismo convierte el movimiento alternativo en giro.
- El giro mueve las ruedas de paletas.
Presión, fuerza y área
La fuerza ejercida por un fluido sobre un pistón depende de la presión y del área:
F = P · A
donde:
- F es la fuerza.
- P es la presión.
- A es el área del pistón.
Un pistón grande puede producir una fuerza considerable incluso con presiones moderadas.
Las ruedas de paletas
El barco poseía ruedas laterales con palas.
Cuando giraban, empujaban el agua hacia atrás.
Por acción y reacción, el barco recibía una fuerza hacia delante.
Las ruedas debían diseñarse para:
- Entrar en el agua con un ángulo adecuado.
- Transmitir suficiente empuje.
- Evitar pérdidas excesivas.
- Resistir impactos y vibraciones.
El viaje hasta Albany
La embarcación recorrió el río Hudson desde Nueva York hasta Albany.
El trayecto necesitó aproximadamente treinta y dos horas de navegación.
La velocidad era modesta según los estándares actuales, pero ofrecía importantes ventajas:
- No dependía directamente de la dirección del viento.
- Podía mantener horarios más regulares.
- Remontaba el río con mayor facilidad.
- Transportaba pasajeros y mercancías.
Viento frente a vapor
Un barco de vela depende de:
- Dirección del viento.
- Intensidad.
- Corrientes.
- Experiencia de la tripulación.
- Geometría del río.
La máquina de vapor podía producir empuje incluso con viento desfavorable.
Esto no eliminaba todos los riesgos, pero aumentaba la previsibilidad.
El combustible
Las primeras máquinas necesitaban grandes cantidades de madera o carbón.
Parte del espacio y de la capacidad de carga debía reservarse para el combustible.
La eficiencia dependía de:
- Calidad de la combustión.
- Presión del vapor.
- Diseño del cilindro.
- Pérdidas de calor.
- Rozamiento de las piezas.
Los peligros de las calderas
Una caldera contiene agua y vapor a temperatura elevada.
Si la presión supera la resistencia del recipiente puede producirse una explosión.
Los primeros barcos sufrieron accidentes por:
- Materiales defectuosos.
- Corrosión.
- Falta de válvulas adecuadas.
- Medición incorrecta de la presión.
- Mantenimiento insuficiente.
El desarrollo de normas e inspecciones fue esencial para mejorar la seguridad.
Transporte regular
El éxito permitió establecer un servicio de pasajeros.
Los viajeros podían planificar mejor la salida y la llegada.
La regularidad favoreció:
- Comercio.
- Movilidad.
- Transporte de correo.
- Crecimiento de ciudades fluviales.
- Distribución de productos agrícolas.
El vapor en los grandes ríos
Los barcos de vapor se extendieron posteriormente por:
- Hudson.
- Ohio.
- Mississippi.
- Misuri.
- Otros ríos navegables.
Permitieron remontar corrientes que resultaban difíciles para embarcaciones de vela.
La hélice sustituye a muchas ruedas
Con el tiempo, las hélices se volvieron más frecuentes que las ruedas de paletas.
Una hélice puede trabajar completamente sumergida y adaptar mejor su diseño a barcos oceánicos.
La propulsión naval moderna utiliza:
- Motores diésel.
- Turbinas de gas.
- Turbinas de vapor.
- Motores eléctricos.
- Propulsión nuclear.
Todos continúan resolviendo el mismo problema: transformar energía en empuje controlado.
1933: GIRD-09 abre el camino de la cohetería soviética
El 17 de agosto de 1933 despegó cerca de Moscú el cohete experimental GIRD-09.
El vehículo fue desarrollado por el Grupo para el Estudio del Movimiento a Reacción, conocido por sus siglas rusas GIRD.
El equipo estaba relacionado con jóvenes ingenieros que posteriormente desempeñarían un papel fundamental en el programa espacial soviético, entre ellos:
- Sergei Korolev.
- Mijaíl Tikhonravov.
- Fridrikh Tsander.
- Otros especialistas en propulsión y aerodinámica.
Un cohete de apenas unos metros
GIRD-09 era extremadamente pequeño comparado con los vehículos espaciales posteriores.
No estaba diseñado para alcanzar la órbita.
Su objetivo era demostrar que:
- El sistema de propulsión podía funcionar.
- El motor podía mantenerse encendido.
- El vehículo podía abandonar la rampa.
- La estructura soportaba la aceleración.
- Los componentes podían integrarse.
Oxidante y combustible
Una combustión necesita:
- Combustible.
- Oxidante.
- Una fuente inicial de energía.
Un avión puede utilizar el oxígeno de la atmósfera.
Un cohete debe transportar su propio oxidante porque necesita funcionar donde el aire es escaso o inexistente.
GIRD-09 utilizaba oxígeno líquido como oxidante y un combustible de consistencia semisólida o gelatinosa.
Por ello aparece descrito en distintas fuentes como cohete de propelente líquido o como un diseño híbrido temprano.
¿Qué es el oxígeno líquido?
El oxígeno se vuelve líquido a temperaturas extremadamente bajas.
Su almacenamiento presenta dificultades:
- Hierve si recibe calor.
- Puede condensar sustancias del aire.
- Favorece combustiones muy intensas.
- Exige depósitos y válvulas compatibles.
A pesar de estos desafíos, continúa utilizándose en numerosos cohetes modernos.
La tercera ley de Newton
El motor expulsa gases a gran velocidad hacia atrás.
La reacción impulsa el cohete hacia delante.
De manera simplificada, el empuje puede aproximarse mediante:
F ≈ ṁve
donde:
- F es el empuje.
- ṁ es la masa expulsada por segundo.
- ve es la velocidad de salida de los gases.
Cuanta más masa se expulse y mayor sea su velocidad, mayor será el empuje.
El despegue
El vehículo ascendió desde una guía vertical.
El motor funcionó durante aproximadamente dieciocho segundos.
El cohete alcanzó una altitud cercana a los 400 metros antes de regresar al suelo.
El resultado estaba muy lejos de un vuelo espacial, pero demostraba que el diseño básico funcionaba.
Cuatrocientos metros que cambiaron una historia
La altitud puede parecer reducida.
Sin embargo, cada componente era experimental:
- Motor.
- Depósitos.
- Válvulas.
- Encendido.
- Estructura.
- Estabilidad.
Un pequeño vuelo permitía obtener datos para construir sistemas más avanzados.
Estabilidad aerodinámica
Un cohete necesita mantener la orientación.
Si comienza a inclinarse o girar puede desviarse rápidamente.
Los primeros vehículos utilizaban aletas para situar el centro de presión detrás del centro de masa.
La corriente de aire genera entonces fuerzas que ayudan a restaurar la orientación.
La importancia del centro de masa
A medida que se consume el propelente, la distribución de masa cambia.
El vehículo debe mantenerse estable durante todo el vuelo.
Los ingenieros necesitan calcular:
- Posición de los depósitos.
- Variación del peso.
- Centro de gravedad.
- Fuerzas aerodinámicas.
- Vibraciones.
Sergei Korolev
Korolev dirigió GIRD y posteriormente se convirtió en una figura esencial del programa espacial soviético.
Bajo su dirección se desarrollarían sistemas vinculados a:
- Misiles R-7.
- Sputnik.
- Primeras sondas lunares.
- Naves Vostok.
- Primer vuelo humano al espacio.
Los pequeños experimentos de la década de 1930 formaron a los equipos que construirían esos vehículos.
Del GIRD-09 al R-7
El R-7 fue un cohete muchísimo mayor y más complejo.
Necesitaba:
- Múltiples motores.
- Sistemas de guiado.
- Etapas separables.
- Grandes depósitos.
- Infraestructura de lanzamiento.
- Telemetría.
Sin embargo, continuaba utilizando principios ensayados por los pioneros:
- Propelentes transportados a bordo.
- Combustión controlada.
- Expulsión de gases.
- Control de estabilidad.
La experimentación incremental
La ingeniería aeroespacial no avanza mediante un único salto tecnológico.
Normalmente sigue una secuencia:
- Pruebas de materiales.
- Ensayos de motor en tierra.
- Pequeños vuelos.
- Recuperación de datos.
- Corrección de fallos.
- Vehículos progresivamente mayores.
GIRD-09 representa uno de esos primeros escalones.
1970: Venera 7 inicia el viaje hacia la superficie de Venus
El 17 de agosto de 1970 la Unión Soviética lanzó Venera 7 mediante un cohete Molniya.
La misión tenía un objetivo extremadamente ambicioso: atravesar la atmósfera de Venus, aterrizar y transmitir datos desde su superficie.
El 15 de diciembre de 1970, la cápsula consiguió enviar información después de llegar al suelo.
Fue la primera transmisión recibida desde la superficie de otro planeta.
Venus parecía un planeta parecido a la Tierra
Venus tiene un tamaño y una masa semejantes a los de nuestro planeta.
Durante mucho tiempo se imaginó que podía poseer:
- Océanos.
- Selvas.
- Un clima templado.
- Grandes cantidades de agua.
Sus nubes impedían observar la superficie con telescopios ópticos.
Las primeras sondas revelaron un mundo completamente diferente.
Una atmósfera aplastante
La atmósfera de Venus está formada principalmente por dióxido de carbono.
En la superficie, la presión es aproximadamente noventa veces la presión terrestre al nivel del mar.
Es comparable a la presión existente a gran profundidad dentro de los océanos.
Una cápsula ordinaria sería aplastada.
Una temperatura suficiente para fundir plomo
La superficie presenta temperaturas cercanas a 465 °C.
El calor puede:
- Dañar circuitos.
- Deformar materiales.
- Alterar baterías.
- Destruir aislamiento.
- Cambiar la calibración de instrumentos.
Venera 7 necesitaba funcionar durante el tiempo suficiente para completar el descenso y enviar mediciones.
El efecto invernadero
La atmósfera permite que gran parte de la radiación solar alcance las capas inferiores.
La superficie se calienta y emite radiación infrarroja.
El dióxido de carbono absorbe parte de esa radiación y dificulta que la energía escape al espacio.
El resultado es un efecto invernadero extremo.
Venus es más caliente que Mercurio, aunque Mercurio se encuentre más cerca del Sol.
Construir una cápsula resistente
El módulo de descenso fue diseñado como un recipiente presurizado muy robusto.
Debía proteger:
- Transmisor.
- Baterías.
- Sensores de temperatura.
- Sensores de presión.
- Electrónica de control.
La estructura fue reforzada después de que misiones anteriores dejaran de transmitir antes de alcanzar la superficie.
El viaje interplanetario
Venus y la Tierra se mueven alrededor del Sol.
Una nave no puede dirigirse simplemente hacia la posición visual del planeta.
Debe entrar en una órbita solar que intercepte la posición futura de Venus.
La trayectoria necesita considerar:
- Velocidad terrestre.
- Velocidad de Venus.
- Gravedad solar.
- Duración del viaje.
- Correcciones de rumbo.
La entrada atmosférica
La cápsula llegó a Venus a gran velocidad.
Durante la entrada, la compresión y el rozamiento del gas produjeron un intenso calentamiento.
Un escudo térmico absorbió y desvió parte de la energía.
Después se desplegó el sistema de paracaídas.
El paracaídas y la atmósfera densa
La atmósfera venusiana es mucho más densa cerca de la superficie.
Un paracaídas puede producir una gran fuerza de frenado.
Sin embargo, permanecer demasiado tiempo descendiendo aumenta la exposición al calor.
Los ingenieros debían equilibrar:
- Velocidad de impacto.
- Tiempo de descenso.
- Temperatura interna.
- Resistencia del paracaídas.
Una señal inesperadamente débil
Después del contacto con la superficie, la señal pareció desaparecer.
Inicialmente se pensó que la cápsula había dejado de funcionar inmediatamente.
Un análisis posterior reveló una transmisión extremadamente débil durante unos veintitrés minutos.
La nave probablemente había quedado inclinada o tumbada después del aterrizaje, de modo que la antena no apuntaba correctamente.
La primera transmisión desde otro planeta
Las sondas lunares ya habían transmitido desde la Luna.
Venera 7 fue la primera en enviar datos desde la superficie de otro planeta.
La medición confirmó un ambiente cercano a:
- 475 °C de temperatura.
- Una presión aproximada de 90 atmósferas.
Los resultados eliminaron definitivamente las antiguas ideas de una superficie templada y húmeda.
¿Por qué sobrevivió tan poco?
La cápsula no disponía de un sistema capaz de refrigerarse indefinidamente.
Su protección térmica retrasaba la entrada del calor.
Podemos imaginarla como un recipiente aislado:
- Al principio, el interior se mantiene relativamente frío.
- El calor atraviesa progresivamente las paredes.
- La temperatura interna aumenta.
- La electrónica termina fallando.
Las siguientes misiones Venera
El programa soviético continuó mejorando sus sondas.
Misiones posteriores consiguieron:
- Transmitir durante más tiempo.
- Obtener imágenes de la superficie.
- Analizar rocas.
- Medir vientos.
- Estudiar las nubes.
- Cartografiar Venus mediante radar.
Venera 9 y las primeras imágenes
En 1975, Venera 9 transmitió las primeras fotografías obtenidas desde la superficie de otro planeta.
Mostraban un terreno rocoso bajo una iluminación difusa.
La atmósfera dispersa la luz y produce un cielo diferente al terrestre.
¿Por qué estudiar Venus?
Venus ayuda a comprender:
- Efecto invernadero.
- Evolución de atmósferas.
- Actividad volcánica.
- Climas planetarios.
- Habitabilidad de exoplanetas.
- Diferencias entre planetas parecidos.
La Tierra y Venus pudieron comenzar con características semejantes y evolucionar hacia estados muy diferentes.
1977: el rompehielos nuclear Arktika alcanza el Polo Norte
El 17 de agosto de 1977, el rompehielos soviético de propulsión nuclear Arktika se convirtió en el primer barco de superficie que alcanzó el Polo Norte geográfico.
La expedición tuvo que atravesar regiones cubiertas por hielo marino grueso, cambiante y sometido a fuertes presiones.
El logro combinó:
- Ingeniería naval.
- Navegación polar.
- Meteorología.
- Propulsión nuclear.
- Observación del hielo.
¿Qué significa alcanzar el Polo Norte?
El Polo Norte geográfico es el punto situado a 90 grados de latitud norte.
No se encuentra sobre un continente.
Está situado sobre el océano Ártico, cubierto por hielo marino que:
- Flota.
- Se desplaza.
- Se fractura.
- Se comprime.
- Cambia con las estaciones.
No existe una superficie fija de tierra exactamente bajo el polo.
Cómo rompe el hielo un rompehielos
Un rompehielos no se limita a golpear frontalmente el hielo.
Su proa posee una forma especial que permite subir parcialmente sobre la placa.
El peso del barco fractura el hielo desde arriba.
La forma del casco ayuda a apartar los fragmentos hacia los lados.
Un casco reforzado
El hielo puede ejercer enormes fuerzas sobre una embarcación.
El casco necesita:
- Acero de gran resistencia.
- Refuerzos internos.
- Geometría curvada.
- Protección de hélices y timón.
- Capacidad para soportar impactos repetidos.
Una placa de hielo aparentemente inmóvil puede moverse y comprimir el barco entre grandes masas.
Potencia continua
Romper hielo necesita gran potencia a velocidades relativamente bajas.
El barco debe ser capaz de:
- Acelerar contra una placa.
- Retroceder.
- Repetir la embestida.
- Mantener las hélices activas.
- Maniobrar entre canales estrechos.
La propulsión nuclear proporciona una gran autonomía sin transportar continuamente enormes cantidades de combustible convencional.
Cómo produce energía un reactor naval
Dentro del reactor se libera energía mediante fisión nuclear.
El calor se utiliza para producir vapor.
El vapor mueve turbinas, y estas generan electricidad o transmiten potencia al sistema propulsor.
El proceso básico es:
- Fisión nuclear.
- Producción de calor.
- Calentamiento de agua.
- Generación de vapor.
- Movimiento de turbinas.
- Propulsión del barco.
Ventajas en el Ártico
Una gran autonomía resulta útil porque las rutas polares están alejadas de puertos y depósitos de combustible.
La energía nuclear permite:
- Operaciones prolongadas.
- Gran potencia.
- Calefacción constante.
- Generación eléctrica.
- Menor necesidad de repostaje.
Riesgos y responsabilidades
La propulsión nuclear también exige una gestión extremadamente cuidadosa.
Es necesario controlar:
- Radiación.
- Refrigeración del reactor.
- Combustible nuclear.
- Residuos.
- Accidentes.
- Desmantelamiento del barco.
Un fallo grave dentro del Ártico podría producir consecuencias ambientales duraderas.
Navegar por un hielo que se mueve
El hielo no forma una capa uniforme.
Puede presentar:
- Canales de agua.
- Placas delgadas.
- Bloques superpuestos.
- Crestas de presión.
- Hielo de varios años.
Los navegantes buscan rutas que minimicen la resistencia y eviten quedar atrapados.
Observaciones aéreas
Los helicópteros pueden adelantarse al barco para localizar:
- Grietas.
- Canales abiertos.
- Zonas de hielo grueso.
- Rutas alternativas.
- Condiciones meteorológicas.
Actualmente también se emplean imágenes de satélite y modelos digitales.
El Polo Norte magnético y el geográfico
El Polo Norte geográfico está definido por el eje de rotación terrestre.
El Polo Norte magnético es la región hacia la que apuntan aproximadamente las brújulas.
Ambos puntos no coinciden.
El polo magnético se desplaza con el tiempo debido a cambios dentro del núcleo terrestre.
La navegación cerca del polo
Las brújulas magnéticas pierden utilidad al aproximarse al polo magnético.
Además, todas las direcciones horizontales desde el Polo Norte geográfico apuntan hacia el sur.
La navegación necesita combinar:
- Giróscopos.
- Observaciones astronómicas.
- Sistemas de radio.
- Posicionamiento por satélite.
- Cartografía del hielo.
La llegada del Arktika
La expedición alcanzó los 90 grados de latitud norte durante la madrugada del 17 de agosto.
El logro demostró que un rompehielos nuclear podía operar hasta el centro del océano Ártico.
La experiencia fue utilizada posteriormente para:
- Diseño de nuevos barcos.
- Apoyo a rutas marítimas.
- Expediciones científicas.
- Operaciones logísticas.
El Ártico y el cambio climático
El hielo marino ártico cambia de extensión y grosor con las estaciones.
Durante las últimas décadas se ha observado una reducción importante del hielo estival.
Esto afecta a:
- Albedo terrestre.
- Ecosistemas.
- Comunidades locales.
- Circulación oceánica.
- Navegación.
- Clima regional y global.
Menos hielo no significa navegación sencilla
Aunque disminuya la extensión media, las rutas continúan siendo peligrosas.
Pueden aparecer:
- Bloques móviles.
- Tormentas.
- Niebla.
- Temperaturas extremas.
- Escasa infraestructura de rescate.
- Cartografía incompleta.
La reducción del hielo también aumenta riesgos ambientales relacionados con un mayor tráfico marítimo.
2017: GW170817 permite observar una colisión cósmica mediante gravedad y luz
El 17 de agosto de 2017, a las 12:41:04 UTC, los detectores LIGO y Virgo registraron una señal procedente de la aproximación y colisión de dos estrellas de neutrones.
La señal recibió el nombre:
GW170817
Apenas 1,7 segundos después, los satélites Fermi e INTEGRAL detectaron un breve estallido de rayos gamma procedente de una región compatible del cielo.
Por primera vez, una misma catástrofe cósmica fue observada mediante:
- Ondas gravitacionales.
- Rayos gamma.
- Luz visible.
- Ultravioleta.
- Infrarrojo.
- Rayos X.
- Ondas de radio.
¿Qué es una estrella de neutrones?
Una estrella masiva produce energía mediante fusión nuclear.
Cuando agota su combustible, el núcleo puede colapsar y la estrella explota como supernova.
Si el núcleo restante no posee suficiente masa para formar un agujero negro, puede convertirse en una estrella de neutrones.
Estas estrellas poseen:
- Una masa comparable a la del Sol.
- Un diámetro de apenas unos veinte kilómetros.
- Una densidad extraordinaria.
- Campos magnéticos intensos.
- Rotaciones muy rápidas en algunos casos.
Una cucharadita con una masa gigantesca
La materia de una estrella de neutrones está comprimida hasta densidades superiores a las de los núcleos atómicos.
Una pequeña cantidad tendría una masa enorme bajo condiciones terrestres.
La comparación de la cucharadita es aproximada porque esa materia no podría conservarse estable fuera de la estrella.
Un sistema binario
Las dos estrellas orbitaban alrededor de un centro común.
Mientras giraban, emitían ondas gravitacionales.
La energía orbital disminuía y la distancia entre ambas se reducía.
El movimiento se aceleraba progresivamente:
- Órbitas más pequeñas.
- Mayor velocidad.
- Frecuencia gravitacional creciente.
- Señal cada vez más intensa.
El chirrido gravitacional
La señal aumenta de frecuencia y amplitud antes de la colisión.
Al convertir los datos en sonido produce un chirrido ascendente o chirp.
GW170817 permaneció dentro de la banda sensible de LIGO durante aproximadamente cien segundos.
Fue mucho más larga que las primeras señales de fusiones de agujeros negros.
¿Qué es una onda gravitacional?
Es una perturbación del espacio-tiempo que se propaga a la velocidad de la luz.
Cuando atraviesa una región, estira una dirección y comprime otra de manera minúscula.
El cambio relativo se expresa mediante la deformación:
h = ΔL/L
donde:
- ΔL es el cambio de longitud.
- L es la longitud inicial.
- h es la deformación medida.
Los interferómetros LIGO
Cada observatorio posee dos brazos perpendiculares de cuatro kilómetros.
Un láser se divide en dos haces que recorren los brazos y regresan después de reflejarse en espejos.
Si una onda gravitacional cambia ligeramente las longitudes, los haces regresan con una diferencia detectable.
El sistema necesita aislar:
- Vibraciones del suelo.
- Tráfico.
- Actividad sísmica.
- Ruido térmico.
- Fluctuaciones del láser.
El papel de Virgo
Virgo, situado en Italia, no registró una señal intensa porque la fuente estaba cerca de una dirección en la que el detector tenía poca sensibilidad.
Sin embargo, esa aparente ausencia fue muy útil.
Permitió reducir la región del cielo en la que debía buscarse la fuente.
Combinar detectores con orientaciones diferentes mejora la localización.
El destello de rayos gamma
El telescopio Fermi detectó GRB 170817A apenas 1,7 segundos después de la señal gravitacional.
La coincidencia confirmó que al menos algunos estallidos cortos de rayos gamma se producen mediante fusiones de estrellas de neutrones.
Estos estallidos pueden generar chorros que se mueven a velocidades próximas a la de la luz.
La galaxia NGC 4993
Telescopios de todo el mundo buscaron una fuente nueva dentro de la zona indicada.
Un punto luminoso apareció en la galaxia NGC 4993, situada a unos 130 millones de años luz.
La fuente fue observada por decenas de instalaciones terrestres y espaciales.
¿Qué es una kilonova?
La colisión expulsó material extremadamente rico en neutrones.
Dentro de ese material se produjeron núcleos atómicos pesados mediante captura rápida de neutrones.
Los núcleos radiactivos se desintegraron y calentaron los restos.
El resplandor resultante recibe el nombre de kilonova.
La fabricación de elementos pesados
Las estrellas producen elementos mediante fusión.
Sin embargo, fabricar elementos mucho más pesados que el hierro necesita procesos capaces de añadir numerosos neutrones rápidamente.
Las fusiones de estrellas de neutrones proporcionan condiciones adecuadas para producir:
- Oro.
- Platino.
- Lantánidos.
- Otros elementos pesados.
GW170817 aportó evidencias observacionales de que estas colisiones son importantes fábricas cósmicas de elementos.
El oro de la Tierra
Los átomos de oro presentes en nuestro planeta no se formaron dentro de la Tierra.
Fueron creados mediante procesos astrofísicos anteriores a la formación del Sistema Solar.
El material pasó a formar parte de la nube de gas y polvo de la que surgieron:
- El Sol.
- Los planetas.
- Asteroides.
- Cometas.
Una joya contiene átomos fabricados durante antiguos acontecimientos cósmicos.
Medir la velocidad de la gravedad
La diferencia de solo 1,7 segundos entre las ondas gravitacionales y los rayos gamma, después de recorrer unos 130 millones de años luz, permitió comprobar que la gravedad y la luz se propagan a velocidades extremadamente semejantes.
La pequeña diferencia puede incluir:
- Tiempo necesario para producir el chorro.
- Propagación dentro de los restos.
- Geometría de la emisión.
El resultado restringió numerosas teorías alternativas de la gravedad.
Una prueba de la relatividad
Einstein predijo las ondas gravitacionales en 1916.
GW170817 permitió comprobar simultáneamente:
- La propagación gravitacional.
- La dinámica orbital.
- El comportamiento de la materia ultradensa.
- La relación con los estallidos gamma.
La estructura interna de las estrellas de neutrones
No conocemos con precisión cómo se comporta la materia bajo presiones tan extremas.
Puede contener:
- Neutrones.
- Protones.
- Partículas exóticas.
- Estados de quarks.
- Superfluidos.
La deformación de las estrellas durante la aproximación deja pequeñas huellas dentro de la señal gravitacional.
Estas mediciones ayudan a descartar modelos internos.
¿Qué quedó después de la colisión?
El objeto final pudo ser:
- Una estrella de neutrones extremadamente masiva que colapsó después.
- Un agujero negro rodeado por un disco de material.
Las observaciones no permitieron establecer con absoluta certeza cada etapa del proceso.
La astronomía multimensajero
Durante siglos, la astronomía dependió principalmente de la luz.
Actualmente podemos investigar el universo mediante diferentes mensajeros:
- Radiación electromagnética.
- Ondas gravitacionales.
- Neutrinos.
- Rayos cósmicos.
Cada uno revela una parte distinta del acontecimiento.
La luz informa sobre gases, temperaturas y composición.
Las ondas gravitacionales revelan el movimiento de grandes masas compactas.
Una nueva forma de medir el universo
La señal gravitacional permite estimar directamente la distancia a la fuente.
La identificación de la galaxia proporciona su desplazamiento cosmológico.
Combinando ambos datos puede estimarse la expansión del universo y el valor de la constante de Hubble.
Estas fuentes reciben el nombre de sirenas estándar.
¿Por qué el 17 de agosto es tan importante para la ciencia?
Las efemérides científicas del 17 de agosto abarcan campos muy diferentes:
- Teoría de números.
- Probabilidad.
- Óptica.
- Ingeniería mecánica.
- Termodinámica.
- Cohetería.
- Exploración planetaria.
- Ingeniería naval.
- Exploración polar.
- Relatividad.
- Astrofísica nuclear.
- Astronomía multimensajero.
Esta fecha muestra que un avance no se mide únicamente por la distancia recorrida.
GIRD-09 apenas ascendió unos cientos de metros, pero abrió un camino tecnológico.
Venera 7 transmitió durante pocos minutos, pero proporcionó la primera información recibida desde la superficie de otro planeta.
Arktika alcanzó un punto sin tierra firme que durante siglos había resultado inaccesible para los barcos.
GW170817 produjo una deformación minúscula en los detectores, pero reveló una explosión ocurrida a unos 130 millones de años luz.
El 17 de agosto también conecta problemas aparentemente sencillos con soluciones muy complejas.
El último teorema de Fermat utiliza una ecuación elemental, pero necesitó siglos de matemáticas.
Un barco de vapor parece limitarse a calentar agua, pero exige dominar presión, materiales y propulsión.
Un cohete expulsa gases, pero necesita estabilidad, criogenia y control.
Una cápsula venusiana debía sobrevivir simultáneamente a presión, calor y entrada atmosférica.
Una onda gravitacional produce un cambio casi inimaginable, pero exige instalaciones kilométricas para detectarla.
Preguntas frecuentes sobre las efemérides científicas del 17 de agosto
¿Qué matemático nació el 17 de agosto de 1601?
Pierre de Fermat, jurista y matemático francés conocido por sus aportaciones a la teoría de números, la probabilidad, la óptica y los antecedentes del cálculo.
¿Qué afirma el último teorema de Fermat?
Afirma que no existen números enteros positivos no nulos que satisfagan xn + yn = zn cuando el exponente n es mayor que dos.
¿Quién demostró el último teorema de Fermat?
Andrew Wiles completó la demostración con la colaboración de Richard Taylor para corregir una dificultad encontrada en la primera versión. La prueba fue publicada en 1995.
¿Robert Fulton inventó el barco de vapor?
No. Ya existían modelos anteriores. Fulton y Robert Livingston consiguieron establecer un servicio comercial exitoso y regular.
¿El barco de Fulton se llamaba Clermont?
Es conocido popularmente con ese nombre, pero durante su servicio se denominaba North River Steamboat. Clermont era una propiedad de Livingston en la que el barco realizó una parada.
¿Qué ocurrió con GIRD-09 el 17 de agosto de 1933?
Realizó un vuelo experimental cerca de Moscú, mantuvo su motor encendido unos dieciocho segundos y alcanzó aproximadamente 400 metros.
¿GIRD-09 llegó al espacio?
No. Su importancia estuvo en demostrar un sistema temprano de propulsión y proporcionar experiencia a los futuros ingenieros del programa espacial soviético.
¿Cuándo fue lanzada Venera 7?
Venera 7 fue lanzada el 17 de agosto de 1970 y aterrizó en Venus el 15 de diciembre del mismo año.
¿Qué consiguió Venera 7?
Realizó la primera transmisión de datos desde la superficie de otro planeta.
¿Cuánto tiempo transmitió desde Venus?
El análisis de la señal mostró que continuó transmitiendo débilmente durante aproximadamente veintitrés minutos después del aterrizaje.
¿Qué temperatura existe en la superficie de Venus?
La temperatura media se aproxima a 465 °C, con una presión atmosférica unas noventa veces superior a la terrestre al nivel del mar.
¿Qué barco llegó al Polo Norte el 17 de agosto de 1977?
El rompehielos soviético de propulsión nuclear Arktika, primer buque de superficie que alcanzó el Polo Norte geográfico.
¿Hay tierra firme en el Polo Norte?
No. El Polo Norte geográfico está situado sobre el océano Ártico, normalmente cubierto por hielo marino flotante.
¿Cómo rompe el hielo un rompehielos?
Su proa sube parcialmente sobre la placa y el peso del barco la fractura. El casco aparta después los fragmentos hacia los lados.
¿Qué fue GW170817?
Fue una señal de ondas gravitacionales producida por la fusión de dos estrellas de neutrones y detectada el 17 de agosto de 2017.
¿Por qué fue tan importante GW170817?
Fue el primer acontecimiento cósmico observado simultáneamente mediante ondas gravitacionales y radiación electromagnética.
¿Dónde ocurrió la colisión?
En la galaxia NGC 4993, situada aproximadamente a 130 millones de años luz de la Tierra.
¿Qué relación tiene GW170817 con el oro?
La kilonova produjo material rico en neutrones y aportó evidencias de que las fusiones de estrellas de neutrones fabrican elementos pesados mediante captura rápida de neutrones.
¿Qué es una kilonova?
Es el resplandor producido por el material radiactivo expulsado durante la fusión de estrellas de neutrones o sistemas compactos semejantes.
Conclusión
El 17 de agosto es una fecha extraordinaria dentro de la historia de la ciencia y la tecnología.
Pierre de Fermat nació para plantear problemas que impulsarían siglos de matemáticas; el barco de Robert Fulton demostró que el vapor podía sostener un servicio comercial; GIRD-09 realizó un pequeño vuelo que anticipó una enorme industria aeroespacial; Venera 7 inició el viaje que permitiría recibir datos desde otro planeta; Arktika llevó por primera vez un barco de superficie hasta el Polo Norte; y GW170817 permitió escuchar y observar simultáneamente una colisión de estrellas de neutrones.
El 17 de agosto reúne números enteros, pistones, oxígeno líquido, escudos térmicos, reactores nucleares y espejos suspendidos dentro de túneles kilométricos.
También demuestra que la ciencia avanza mediante escalas muy diferentes.
Un teorema puede esperar más de tres siglos.
Un barco puede transformar el transporte recorriendo un río.
Un cohete puede iniciar una revolución ascendiendo solo 400 metros.
Una sonda puede cambiar la ciencia transmitiendo durante veintitrés minutos.
Un barco puede alcanzar un punto móvil sobre el hielo.
Y una variación diminuta del espacio-tiempo puede revelar la creación cósmica de elementos como el oro.
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Fuentes oficiales, científicas y académicas:
- MacTutor, Universidad de St Andrews — Pierre de Fermat
- MacTutor — Historia del último teorema de Fermat
- MacTutor — Andrew Wiles y la demostración definitiva
- Hudson River Maritime Museum — Viaje inaugural del North River Steamboat
- Estado de Nueva York — Primer barco comercial de pasajeros impulsado por vapor
- Library of Congress — Robert Fulton y el barco de vapor
- Science Museum Group — Cohete GIRD-09
- RussianSpaceWeb — Lanzamiento de GIRD-09 del 17 de agosto de 1933
- NASA Science — Cronología de la exploración de Venus
- NASA Science — Primeras hazañas de la exploración robótica
- NASA Astrobiology — Venera 7 y el ambiente de Venus
- Russian Geographical Society — Arktika y la llegada al Polo Norte
- U.S. Naval Institute — Historia del rompehielos Arktika
- LIGO Laboratory — Descubrimiento de GW170817
- LIGO Scientific Collaboration — Observación multimensajero
- Physical Review Letters — Detección de la fusión de estrellas de neutrones
- NASA Science — Primera luz vinculada a una onda gravitacional
- NASA Goddard — Colisión, kilonova y formación de elementos pesados
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