La barrera de Hubbert: revisitando la paradoja de Fermi

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Queridos lectores,

Esta semana contamos con un post invitado: la traducción autorizada de un interesante artículo recientemente publicado por Ugo Bardi en un su blog Cassandra's Legacy. Les dejo con el profesor Bardi.

La nave espacial "Orion" se propulsa con la detonación de bombas nucleares. Fue un concepto propuesto en los años 50 como una manera de alcanzar los planetas del sistema solar en cuestión de días y otras estrellas en unos pocos años. Estas naves son posibles teóricamente pero, con la cantidad de energía que podemos manejar hoy en día es difícil creer que pudiéramos reunir suficientes recursos para construir una flota de naves interestelares. Por el contrario, podríamos perfectamente estar deslizándonos ya por el otro lado de la curva de Hubbert y quizá tendríamos que renunciar a todos los sueños de exploración espacial. ¿Podría una civilización extraterrestre hacerlo mejor con nosotros? Quizás no. Es posible que cualquier civilización industrial basada en recursos no renovables tuviera que enfrentarse con el mismo problemas al que nos estamos enfrentando nosotros: el colapso generado por el agotamiento de recursos. Podríamos denominarlo la "barrera de Hubbert".

Cuando empecé a leer libros de astronomía, en los años 70, nadie sabía si existían planetas alrededor de otras estrellas, y la opinión más común es que eran muy raros. Por supuesto, esto contrastaba con la temática habitual de la ciencia ficción de aquella época, de la cual también era un ávido lector. La idea de que los sistemas planetarios eran comunes en la galaxia era mucho más fascinante que la idea "oficial" pero, en aquel tiempo, parecía pura fantasía. Pero resulta que la ciencia ficción tenía completamente la razón, al menos en este punto. Estamos descubriendo cientos de planetas orbitando alrededor de las estrellas y las últimas noticias son que una de cada tres estrellas de tipo sol podría tener un planeta como la Tierra en la zona habitable. ¡Fantástico!

Las medidas que nos indican la existencia de planetas extra-solares no pueden decirnos nada sobre civilizaciones extra-solares, otro tema típico de la ciencia ficción. Pero, si los planetas del tipo Tierra son frecuentes en la galaxia, entonces la vida orgánica basada en el carbono debería ser también frecuente. Y si la vida es habitual, la vida inteligente no debería ser tan rara. Y si la vida inteligente no es inhabitual, entonces deberían existir civilizaciones alienígenas ahí fuera. Con 100.000 millones de estrellas en nuestra galaxia, podríamos pensar que en este punto la ciencia ficción podría tener razón también. ¿Podría ser que la galaxia estuviera poblada con civilizaciones alienígenas?

Aquí, sin embargo, tenemos un problema bien conocido llamado la "Paradoja de Fermi". Si todas esas civilizaciones existen, ¿no podrían desarrollar el viaje interestelar? Y, en ese caso, si hay tantas, ¿por qué no están aquí? Por supuesto, como todos sabemos la velocidad de la luz es una barrera infranqueable. Pero, incluso a velocidades menores que las de la luz, nada físico impide que una nave espacial pueda cruzar la galaxia de una punta a la otra en un millón de años o quizá en menos tiempo. Ya que nuestra galaxia tiene más de 10.000 millones de años de antigüedad, alienígenas inteligentes habrían tenido mucho tiempo para explorar y colonizar cada estrella de la galaxia, saltando de una en otra. Pero no vemos alienígenas por aquí y ésta es la paradoja. La consecuencia parece ser que somos los únicos seres conscientes de la galaxia, quizá de todo el universo. Así, volvemos a los viejos modelos del sistema solar que nos decían que somos excepcionales. Entonces era  porque nos decían que los planetas son raros, y ahora porque quizá las civilizaciones son raras. Pero, ¿por qué?

En este punto deberíamos echar un nuevo vistazo a algunas de las hipótesis implícitas en la paradoja de Fermi. La más básica es que existen civilizaciones inteligentes, por supuesto, pero hay otra que dice que las civilizaciones se mueven sobre una línea de expasión progresiva que las lleva hacia el control de cantidades cada vez mayores de energía. Si uno se para a pensar sobre eso, esta hipótesis es el típico resultado de la manera de pensar en los años 50, cuando la "era atómica" acababa de empezar y la gente veía como una cosa obvia que saltaríamos de una fuente de energía a otra. Abandonaríamos los combustibles fósiles para ir a la fisión nuclear. De aquí, nos iríamos a la energía de fusión nuclear, y de ahí a vete a saber qué. Esta progresión es fundamental para que la paradoja de Fermi tenga sentido: por supuesto que se necesita un montón de energía para embarcarse en una tarea tan titánica como la exploración y colonización interestelar. Una estimación de la mínima potencia requerida es de alrededor de 1000 teravatios (TW). Esa cifra es sólo una especulación, pero tiene cierta lógica. La potencia total consumida hoy en día en nuestro planeta es del orden de 15 TW, y lo máximo que podemos hacer es explorar los planetas de nuestro sistema, y eso sólo de manera bastante esporádica.

Así pues, la paradoja de Fermi requiere que cualquier civilización alienígena siga más o menos la misma ruta que se veía delante de nosotros en los años 50. Los extraterrestres empezarían con combustibles fósiles, y después de moverían a diversas formas de energía nuclear. Hasta cierto punto, no es un mal modelo. Es probable que los planetas extrasolares de tipo Tierra o super-Tierra tengan una tectónica de placas activa y, si desarrollan la vida, esto llevaría a la formación de combustibles fósiles como resultado de la sedimentación y enterramiento de materia orgánica. Por tanto, podríamos suponer que los alienígenas inteligentes procederían de acuerdo con principios económicos semejantes a los que gobiernan nuestro propio comportamiento, esto es, tenderían a usar los recursos con mayor contenido energético y por tanto usarían los combustibles fósiles como iniciadores de sus civilizaciones industriales.

Los combustibles fósiles, sin embargo, son una fuente de energía demasiado débil y demasiado contaminante para usarlos en el viaje interestelar. Un planeta extrasolar podría estar mejor provisto que el nuestro, pero eso no ayudaría gran cosa. Los límites de nuestros alienígenas serían los mismos que los nuestros: o el agotamiento de los recursos o la saturación de su atmósfera con gases de efecto invernadero (o quizá ambas cosas). Pero el límite  de los combustibles fósiles es más sutil que eso y está relacionado con el modelo de Hubbert que nos dice que el patrón de producción de energía de un recurso no renovable es altamente no lineal y sigue una curva con forma de campana.

El modelo se basa en el concepto de que la producción de energía depende de la cantidad de energía neta del recurso (medida por la Tasa de Retorno Energética, TRE). Cuanto más alta es la TRE más rápido se explota el recurso. Como los mejores recursos (aquéllos con más alta TRE) se explotan primero, la TRE decae con el tiempo y eventualmente afecta a nuestra capacidad para extraer más recursos. La producción alcanza un máximo, un pico, y luego decae. El resultado es la típica curva en forma de campana de Hubbert. Si, adicionalmente, el recurso explotado produce una contaminación significativa, el declive será habitualmente más rápido que el crecimiento, por lo que la curva será asimétrica y más abrupta por la derecha (esto es lo que yo he denominado el "efecto Séneca"). La curva es de aplicación general para todos los recursos no renovables, aunque se aplica habitualmente para los combustibles fósiles.

Tim O'Reilly fue probablemente el primero en hacer notar, en 2008, que la curva de Hubbert podría tener importancia para explicar la paradoja de Fermi. Debido a la no linealidad de la curva, independientemente de los recursos empleados, una civilización literalmente explotaría y después se hundiría, siendo capaz de mantener el más alto nivel de producción energética sólo durante un corto período de tiempo. Este fenómeno, al que podríamos llamar "la barrera de Hubbert", podría ser muy general y hacer que las civilizaciones industriales de la galaxia sean de vida muy corta. El declive asociado con el agotamiento de los recursos y con la contaminación podrían llevar rápidamente una civilización a la edad de piedra, desde la cual no sería capaz nunca más de una tecnología sofisticada. Eso es una barrera especialmente difícil de remontar si se produce un comportamiento tipo Séneca (que quizá podríamos denominar "la barrera de Séneca"). En cualquier caso, este efecto limita fuertemente el tiempo de vida de una civilización.

Fíjense cómo de diferente es este modelo de la visión que se tenían en los años 50. En los años 50 creíamos en la expansión continua de la producción de energía, y saltar de una fuente a otra se veía como un proceso suave. Pero el modelo de Hubbert nos dice que pasar a una nueva fuente de energía es, al contrario, sobrepasar una barrera dramática, lance en el que el éxito no está ni mucho menos garantizado. Puede perfectamente que nosotros ya hayamos fracasado en nuestro intento de saltar al "siguiente nivel", visto como la fisión nuclear. Con el declive de la energía fósil, puede ser ya demasiado tarde para reunir suficientes recursos para invertirlos en energía nuclear. Algunos alienígenas inteligente podrían hacerlo mejor que nosotros a la hora de reunir esos recursos, pero la barrera de Hubbert continuaría siendo un grave problema. Uno de los problemas con la energía nuclear es que crea un tipo particularmente desastroso de contaminación: la guerra nuclear. La posibilidad de que las civilizaciones alienígenas se destruyan habitualmente a sí mismas cuando entran en la era atómica es algo que Isaac Asimov propuso en su cuento de 1957 "The Gentle Vultures." Pero, supongamos que no pasa. ¿Puede la energía de fisión nuclear producir suficiente energía como para viajar a la estrellas? Lo más probable es que no.

El uranio y el torio, elementos físiles, son bastante raros en el Universo. Por lo que sabemos, se acumulan en niveles que pueden proporcionar una buena TRE sólo en planetas de tipo Tierra con una tectónica de placas activa. En cuerpos como la Luna o los asteroides, el uranio se encuentra en cantidades extremadamente minúsculas, del orden de partes por mil millones, y eso hace la extracción del mismo una tarea imposible. Es bastante poco probable que un planeta alienígena rocoso pudiera tener mucho más uranio del que tenemos en el nuestro. Así pues, hagamos un cálculo rápido. Hoy en día la fisión nuclear genera una potencia de 0,3 TW en nuestro planeta. Dijimos que para expandirnos por nuestra galaxia necesitábamos una potencia del orden de 1.000 TW. Eso es un objetivo bastante distante para nosotros, teniendo en cuenta que, con los limitados recursos de uranio disponibles, no estamos ni siquiera seguros de poder mantener en marcha la flota actual de reactores nucleares durante los próximos años. Podríamos expandir esos recursos a los isótopos no fisionables del uranio y del torio si fuéramos capaces de desarrollar reactores regeneradores. En ese caso, una estimación optimista dice que los recursos de uranio mineral podrían durar durante "30.000 años al ritmo de consumo actual". Puede ser, pero si tuviéramos que alcanzar los 1,000 TW nos quedaríamos sin uranio en 10 años. Este número nos da una estimación grosera del período de tiempo en el que una civilización podría mantener una potencia lo suficientemente grande como para permitirse viajes interestelares: décadas o quizá siglos, pero no mucho más. Una tal civilización podría en principio generar un gran pico de energía pero luego tendría que declinar rápidamente a cero por falta de recursos de combustible. Es, de nuevo, la barrera de Hubbert en acción.

Y así llegamos a la fusión nuclear, la gran esperanza blanca de la Era Atómica. La fusión puede usar isótopos de hidrógeno y el hidrógeno es el material más abundante del Universo. La idea que era común en los años 50 es que con la fusión tendríamos que tener una cantidad de energía tan grande que sería "demasiado barata como para cobrarla", tan abundante que podríamos tener fines de semana en la luna para toda la familia. Bueno, parece que las cosas eran mucho más difíciles de lo que parecían. Tras algo más de 50 años de experimentación, nunca hemos sido capaces de lograr más energía de un proceso de fusión de la que habíamos usado para generarlo. Incluso las "bombas de fusión" (bombas H) son en realidad bombas de fisión mejoradas con fusión. Puede que haya algún truco que no somos capaces de identificar ahora mismo que nos permita conseguir que la energía de fusión funcione; o puede que simplemente seamos más tontos que la civilización galáctica promedio. Podríamos también defender el punto de vista, sin embargo, de que simplemente no hay manera de obtener energía de fusión con ganancia de energía fuera de las propias estrellas. Por supuesto, no podemos estar seguros, pero la paradoja de Fermi podría estar diciéndonos en realidad: "Mirad, la fusión nuclear controlada NO es posible".

Por supuesto que hay otras posibilidades que una civilización puede usar para desarrollar fuentes de energía muy poderosas. Por ejemplo, fíjense en los agujeros negros. Si puedes controlar un pequeño agujero negro, arrojar cualquier cosa dentro de él generará un montón de energía que podría ser usada para el viaje interestelar. Los agujeros negros son muy difíciles de controlar y una civilización que use esta tecnología tendría el problema de contaminación definitivo: la creación de un agujero negro tan grande que engulliría todo lo que hubiera a su alrededor, incluyendo la civilización que lo creó. En cualquier caso, incluso los agujeros negros están sometidos a la barrera de Hubbert, puesto que a medida que vas tirando materia en ellos te vas quedando gradualmente sin ella. Una civilización basada en agujeros negros explotaría muy rápidamente y luego desaparecería, dejando detás de sí nada más que agujeros negros.

Estamos claramente entrando en el terreno de la especulación, pero la cuestión que quería resaltar con este post es que el mecanismo de Hubbert genera una esperanza de vida corta para cualquier civilización basada en recursos no renovables. También genera problemas dramáticos cuando se ha de pasar de un recurso a otro. Si éste es un comportamiento general para las civilizaciones, entonces podría explicar la paradoja de Fermi. Los seres conscientes pueden ser frecuentes en nuestra galaxia, pero su existencia como sociedades industriales puede ser extremadamente breve. Por lo tanto, no deberíamos sorprendernos de que no nos encontremos naves especiales alienígenas por aquí. Quizá tendremos la suerte de recibir una señal de radio de una de esas civilizaciones, pero eso será como divisar otro barco cruzando el océano. Hay multitud de barcos cruzando el océano, pero si tomamos un momento y lugar concreto es poco probable que se vea ninguno por ahí.

Al final, la fuente de energía disponible para una civilización planetaria se limita a la que puede obtener de su sol. Lo que puede ser mucho: en la Tierra la cantidad total de energía que llega del Sol es de unos 100,000 TW; lo que puede aún aumentarse usando instalaciones en el espacio. Con eso, podría perfectamente ser posible llegar a los 1,000 TW que dijimos que eran necesarios para el viaje interestelar. Pero hemos llegado a un concepto complemente diferente del que es la base de la paradoja de Fermi: la idea, típica en los años 50, de que una civilización siempre se expande. Una civilización basada en una fuente inamovible de energía, una estrella, puede pensar y comportarse de un modo completamente diferente. Puede concentrarse en la explotación de la estrella (éste es el concepto de la "esfera de Dyson") más que en la exploración interestelar.

A medida que nos alejamos de las cosas que nos son familiares, nos encontramos en terreno desconocido. ¿Cómo se manifestaría una tal civilización de alta energía? ¿Qué es lo que hay en el Universo que podemos definir como "natural" como contrario a lo "artificial"? La única cosa que podemos decir es que las estrellas son unos dispositivos maravillosos: estables, potentes, fiables y de larga duración. Si no fueran naturales alguien debería haberlas inventado... Pero, por supuesto, son naturales... sí... creo que lo son....


Nota añadida después de la publicación: he descubierto que John Greer había tratado este tema de manera similar en 2007, (h/t Leanan)

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Impresionante post del profesor Bardi. Ya lo saben: quizá nuestro destino está efectivamente en las estrellas, pero no de la manera que la gente ha pensado habitualmente. En cuanto al viaje espacial...

Salu2,

AMT