Escudos magnéticos para proteger misiones espaciales

Los aventureros interplanetarios debe lidiar con la mortal radiación solar pero,  la clave para que los vuelos espaciales sean seguros podría estar en la Luna.

¿Aburrido de su viaje de seis meses a Marte? No es extraño… Siempre que los astronautas miran por la ventana, se encuentran fascinados por la brillante, y resplandeciente esfera de plasma que rodea su nave espacial. Es difícil de creer que un modesto electroimán  pueda producir algo tan hermoso.

No es que el imán se encuentre a bordo por razones estéticas, por supuesto. Su función principal es mantener a los astronautas lejos de una lenta y horrible muerte  por radiación.

En la NASA hay nerviosismo durante el viaje a Marte, y hay que comprenderlo. Seis meses de exposición al viento solar cargado de partículas de alta energía  podría revelarse efectivamente mortal. Pero un equipo de investigadores del Laboratorio Rutherford Appleton (RAL), cerca de Oxford, Reino Unido, ha dado con un fenómeno que  podría resolver el problema. Han demostrado que un imán no  mayor que su pulgar puede desviar una corriente de partículas cargadas como las del viento solar. Se da nueva vida a una vieja idea acerca de blindaje de vehículos espaciales, y podría marcar el comienzo de una nueva era de viajes espaciales. “La radiación del espacio se supone un brusco frenazo para la exploración tripulada del espacio”, dice Ruth Bamford de RAL. “Nuestro experimento demuestra que puede haber una forma de que el espectáculo puede continuar.”

La inspiración detrás de la idea es tan antigua como la misma Tierra. La vida prospera en nuestro planeta, porque su núcleo es un caldero de hierro fundido. El resultado es nuestra magnetosfera, el campo magnético que rodea la Tierra y que desvía el viento solar. Sin este escudo algunas de las partículas escupidas por el sol atravesarían nuestros cuerpos, rompiendo la maquinaria de las células. En ausencia de nuestro campo magnético protector, la vida compleja sobre la Tierra probablemente sería insostenible.

Pero lejos de la magnetosfera, en una misión a Marte, por ejemplo, estamos desprotegidos. El viento solar puede dar lugar a estallidos de radiación 1000 veces más potentes que la energía liberada por las bombas atómicas de Hiroshima y Nagasaki. Eso no es algo que una agencia espacial, o los contribuyentes que financian  el viaje, quieran para sus astronautas. “Imagina una nave que arribe a Marte con un cargamento de astronautas muertos y el mundo entero viendo horrorizado esa escena.” dice Bamford.

De ahí las décadas de permanente búsqueda de un escudo adecuado.Wernher von Braun, el pionero de cohetes que creó el programa Apolo, fue el primero que pensó en un escudo magnético para naves espaciales en la década de 1960. Finalmente descartó la idea porque pensó que sería necesario un gran imán. Estaba equivocado. “La física es muy sutil a los simples reversos en cálculos “, dice Bamford.

Esa sutileza ha salido a la luz a través de una serie de descubrimientos hechos por la  nave espacial Itenerancy. Inicialmente pensamos que la magnetosferas era un proceso exclusivo del sistema solar, dónde se da la existencia de cuerpos lo suficientemente grandes como para mantener un núcleo de hierro fundido. Pero resulta que nuestro sistema solar está sembrado de escudos magnéticos sorprendentemente pequeños pero potentes.

Para empezar, parece que hay varias en nuestra misma luna Las partículas del viento solar se ven oscuras de la superficie lunar, pero remolinos de color más claro son también visibles en varios puntos. En 1998, la Lunar Prospector de la NASA sobrevoló uno de ellos. La sonda sobrevoló la superficie de nuestro satélite a tan sólo 18 kilómetros, cuando sus sensibles instrumentos indicaron que había atravesado una región de líneas de campo magnético  y se produjo un fuerte descenso en la densidad de partículas cargadas. Se había entrado en una mini-magnetosfera que las partículas del viento solar no podían penetrar.

Este campo, muy probablemente, surgió gracias al calor generado por el impacto de un asteroide que chocó en el pasado en la superficie lunar. Esto hubiera creado un plasma; una nube de gas caliente e ionizado. Plasmas llevan  a un campo magnético, y cuando la superficie lunar se funde, la roca preserva la huella de magnetismo del plasma.

El campo encontrado por  la Lunar Prospector  tiene unos cientos de kilómetros de ancho y se extiende decenas de kilómetros hacia el espacio. Lo más interesante de todo es la protección que este particularmente fuerte campo parece ofrecer contra los estragos de la radiación solar, a juzgar por el color de la tierra debajo de la burbuja magnética que crea. “Es como si, durante miles de millones de años, la roca hubiera estado protegida del ataque químico del viento solar”, dice Bamford.

La luna no es el único lugar donde esto sucede. En Marte, por ejemplo, se han localizado remanentes del campo magnético de cuando el planeta estaba lo suficientemente caliente como para generar su propia magnetosfera. Algunas regiones todavía poseen un campo, que forma escudos protectores que se elevan cientos de kilómetros sobre la superficie.

Aún más interesante resulta un descubrimiento que la sonda Galileo  de la NASA hizo en la década de 1990. De camino a Júpiter, galileo sobrevoló los asteroides Ida y Gaspra,  pequeñas rocas alrededor de 30 y 20 kilómetros de diámetro respectivamente. Contra todas las expectativas, se encontró en ambos cuerpos   débiles campos magnéticos. Estos dos asteroides, parece que una vez fueron parte de un grupo mayor, lo suficientemente grande como para tener un interior fundido y un campo magnético; tal vez incluso, fueron un planeta o luna que se despedazó en una colisión catastrófica.

Alrededor de los dos asteroides, Galileo también descubrió zonas de amortiguación libre de partículas cargadas, al igual que nuestra magnetosfera. Pero estas zonas de protección se encuentran mucho más alejadas  de la superficie de los asteroides de lo que cabría esperar, dada la debilidad de sus campos magnéticos. ¿Qué podía estar sucediendo? La respuesta estaba en los detalles de lo que ocurre cuando una partícula cargada realiza un campo magnético.

En primer lugar, experimenta una fuerza perpendicular a las líneas de campo. El impulso de la partícula viaja hacia adelante y lo mantiene, pero no directamente a lo largo de las líneas de campo, sino que se mueve en espiral alrededor de ellas con un radio característico denominada “radio de Larmor”.

El radio de Larmor depende de la intensidad de campo, la masa y la carga de la partícula, y la velocidad a la que circula. Fuera, donde el viento solar se encuentra libre del campo magnético de la Tierra, una partícula típica de viento solar, tiene un radio de Larmor de entre 20 y varios cientos de kilómetros. Al menos en teoría, eso significa una magnetosfera que se necesita una magnetosfera de 20 a varios cientos de kilómetros de extensión para detener las partículas que golpean la superficie terrestre.

En teoría, no hay forma de que  cuerpos tan pequeños como Ida o Gaspra puedan producir una magnetosfera de ese tamaño. La razón de que pueden y de hecho lo hacen, se encuentra  en el viento solar.

Debido a que el viento solar es un plasma formado por partículas cargadas, también lleva a un campo magnético. Cuando el campo del viento solar se encuentra con las “mini-magnetosferas” de estas dos rocas, el choque de dos campos es inevitable, ejerciendo una fuerza sobre ellos. Alguno de los dos tiene que ceder. Debido a que el terreno del viento solar es creada por partículas de movimiento libre, es el que cede, alterando su orientación para reducir al mínimo los conflictos con el campo de la mini-magnetosfera.

Algunas partículas de viento solar cambian más fácilmente que otras. Los protones tienen carga positiva, cerca de 2000 veces la masa de los electrones con carga negativa, por lo que estos últimos son desviados mucho más fácilmente. Los electrones permanecen en la superficie de la burbuja magnética, mientras que las cargas positivas penetrar en su interior.

Esta separación de cargas positivas y negativas genera intensos campos eléctricos de hasta un millón de veces más fuertes que los campos magnéticos que los crearon. Después de que las partículas del viento solar caigan sobre esos campos eléctricos son desviadas. El resultado es un efecto de pantalla mucho más potente que el campo magnético por sí solo.

Este es lo que  Bamford y su equipo han observado en el laboratorio. Suspendieron un imán de 2,5 centímetros de diámetro en una cámara de vacío cilíndrica, luego lanzaron un plasma hacia el imán a velocidades supersónicas. El radio de Larmor de las partículas del campo magnético fue de unos 120 milímetros: lo que supone que deberían haber aplastado el imán. Pero no lo hicieron. A pesar de la pequeña intensidad de campo, ninguna de las partículas alcanzó el imán.

Las sondas insertadas en el túnel de viento de plasma, mostraron que  las líneas de campo magnético se acumulaban en el imán, creando una mini-magnetosfera. Además, se produjo un fuerte descenso en la densidad de partículas cargadas: que se celebraron en condiciones de plena competencia por una burbuja de plasma incandescente de protección que se extendía 25 milímetros  por el imán. “El plasma con carga eléctrica no sólo dio la vuelta al imán, creo una cavidad tan clara que podía ser vista sin necesidad de aparatos,” dice Bamford. Esto es precisamente lo que los modelos creador por ordenador por el equipo habían predicho.

Es un avance que podría cambiar el panorama para los vuelos espaciales humanos. La NASA ya está buscando un par de maneras de hacer frente a la radiación espacial. Una de ellas es encontrar una droga que redujera la vulnerabilidad de los astronautas al cáncer o incluso reparar ADN dañado. Otra idea,  es instalar fuertes blindajes de metal o tanques de agua, para imitar el efecto de la atmósfera terrestre, que absorbe la mayor parte de la alta energía.

Ahora la NASA podría tener una tercera opción: construir naves espaciales que llevaran su propia magnetosfera protectora, generada por un electroimán.

Es una buena idea, según Andrew Coates, del Mullard Space Science Laboratory en Holmbury St Mary, Reino Unido. “Creo que, para instalar una magnetosfera en una nave espacial podía funcionar”, dice. Se ha detectado algunos problemas, sin embargo. “La energía es siempre un recurso escaso en las naves espaciales y, aún no está  claro que una mini-magnetosfera pueda desviar partículas de energía más alta.”

Tito Mendonça, del Instituto Superior Técnico de Lisboa, Portugal, se muestra igualmente intrigado y prudente. “Es bien sabido que nuestra magnetosfera natural nos protege de manera muy eficiente de los vientos solares”, dice. “Pero sigue siendo muy pronto para decir hasta qué punto esta protección se puede aplicas a mini-magnetosferas. No se trata sólo de partículas de alta energía: una magnetosfera no puede hacer nada para desviar partículas neutras como fotones de alta energía”, señala.

Bamford es muy consciente de estos problemas, pero señala que una mini-magnetosfera que se extendiera unos pocos cientos de metros más allá de la nave podría ser usada en conjunto con los escudos pesados y, convertiría en neutral la radiación de alta energía. “Si usted sale a la calle un día de lluvia, puede usar un abrigo, pero también puede llevar un paraguas”, dice. “Eso es lo que una mini-magnetosfera es: un paraguas de plasma sostenido por  campos magnéticos. Aunque repela sólo el 50%  de las partículas solares, podría usarse junto a  un escudo de grandes masas, lo que le permite ser más ligero. Esto permitiría a la nave para llevar menos combustible”.

Bamford está en conversaciones con la Agencia Espacial Europea y la NASA acerca de las posibilidades del experimento, aunque  no puede dar muchos detalles de esta fase. “Hay cuestiones de confidencialidad y de patentes”, dice. “Lo que diré es que la NASA está de acuerdo en que los viejos supuestos acerca de los límites de protección magnética deben volver a examinar. Quieren trabajar con nosotros en esto”.

No es que sea sencillo. Todavía no está claro del efecto a la escala adecuada: hay una gran diferencia entre la protección de un imán del tamaño de un pulgar y una nave espacial. Tampoco sabemos si podría hacer frente a la violencia de una tormenta solar, lo que deshace las partículas con energías de millones, incluso miles de millones de electronvoltios. Si lo comparamos, las bombas atómicas de Hiroshima y Nagasaki produjeron rayos gamma con energías de hasta 10 millones de electronvoltios. Nadie sabe el efecto preciso del cuerpo a la exposición a partículas con energías 10 veces más grandes, pero no puede ser una buena noticia. “Sería como poner la cabeza en un acelerador de partículas”, dice Bamford.

Bamford, y equipo de laboratorio de experimentos han modelado por ordenador algo que demuestra que un campo eléctrico puede desviar la energía, pero la pregunta clave es: ¿Cuánta más energía puede desviar?.”Eso es lo que estamos tratando de averiguar ahora”, dice.

Utilizando simulaciones por ordenador y experimentos de laboratorio adicionales, podemos tener un optimismo cauteloso. El escudo magnético preserva la vida de nuevo, y tal vez, sólo tal vez, ese viaje al planeta rojo pueda gracias a ello, tener luz verde finalmente.

Autor: Marcus Chown.

Enlace original: Shields out!: Force fields could protect Mars missions.

Para saber más: Magnetosfera.