¡Activen el escudo! Los campos de fuerza podrían proteger las misiones a Marte

¿Aburridos de su viaje de medio año a Marte? Ni de lejos. Cuando los astronautas miren a través de las ventanas, se asombrarán con la esfera de plasma que rodea la aeronave. Es difícil de creer que el pequeño electroimán que llevan en la nave pueda producir algo tan bonito.

No es que la razón de ser del imán sea estética, evidentemente. La función del imán es evitar que los astronautas mueran lentamente y de forma horrible por culpa de la radiación.

La NASA está dudando sobre la posibilidad de enviar astronautas a Marte -y es comprensible. Una exposición de medio año a las partículas de viento con alta energía que fluyen desde el sol pueden ser mortales. Pero un equipo de investigadores del Laboratorio Rutherford Appleton (RAL) cerca de Oxford, han encontrado un fenómeno que podría resolver el problema. Han demostrado que un imán del tamaño de una mano puede desviar un flujo de partículas cargadas como el del viento solar. Esto da vida a la vieja idea de dotar a la nave de un escudo y podría dar lugar a una nueva era de viajes espaciales. “La radiación espacial se considera el único freno para la exploración espacial tripulada”, dijo Ruth Bamford de RAL. “Nuestro experimento demuestra que podría haber una manera de que el espectáculo continuase”.

Magnetosfera

Magnetosfera. Astronomy cafe.

La inspiración para la idea es tan vieja como la Tierra. La vida es posible en nuestro planeta debido a que su núcleo es una caldera de hierro fundido. El resultado es nuestra magnetosfera, el campo magnético que  envuelve la Tierra y desvía el viento solar. Sin este escudo algunas de las partículas que vienen del sol se cargarían sobre nuestros cuerpos, destruyendo las células que los hacen funcionar. En ausencia de nuestro campo magnético protector, la vida compleja en la Tierra podría ser insostenible.

Más allá de la magnetosfera -por ejemplo, en una misión a Marte- dejamos esa protección atrás. El viento solar puede dar lugar a explosiones radiactivas 1000 veces más potentes que las de las bombas de Hiroshima y Nagasaki. Esto no es algo a lo que la NASA quiera someter a sus astronautas o a los ciudadanos que sufragan el viaje con sus impuestos. “Imagina una nave que vaya a marte con astronautas muertos en su interior y el mundo entero mirando atemorizado”, dijo Bamford.

Por esto se ha buscado un escudo apropiado durante muchos años. Wernher von Braun, el pionero de los cohetes que creó el programa Apollo, pensó por primera vez en un escudo para una nave en los años 60. Al final desechó la idea porque pensó que requeriría un imán demasiado grande. Estaba equivocado.

El error se ha detectado a través de una serie de descubrimientos realizados por naves a la deriva. Inicialmente creímos que las únicas magnetosferas en el sistema solar pertenecían a cuerpos suficientemente grandes como para albergar un núcleo de hierro fundido. Pero según parece en nuestro sistema solar hay muchos escudos magnéticos pequeños pero sorprendentemente potentes.

Parece que hay varias en la luna, para empezar. Las partículas del viento solar han oscurecido gradualmente la mayoría de la superficie de la luna, pero hay puntos brillantes en varios lugares. En 1998, la Luna Prospector sobrevoló uno de ellos. La sonda orbitaba a 18 km de la superficie cuando sus sensores indicaron que había pasado sobre una región con el campo magnético más elevado y se movió a una cavidad en la que había una menor densidad de partículas cargadas. había entrado en una mini-magnetosfera que las partículas de viento solar no podían penetrar.

Este campo probablemente se formó cuando el calor desprendido por el impacto de un asteroide fundió la superficie lunar. Esto habría creado plasma -una nube de gas caliente ionizado. Los plasmas mueven un campo magnético y cuando la superficie lunar se vuelve a solidificar, la roca conservaría el magnetismo del plasma.

El campo que encontró la Lunar Prospector mide unos pocos cientos de kilómetros de largo. Lo más interesante de todo es la protección que un campo que aparentemente no es muy fuerte ofrece. “Es como si, durante millones de años, la roca hubiese estado resguardada parcialmente de los agentes químicos del viento solar”, comentó Bamford.

La luna no es el único lugar en el que esto ocurre. En Marte, por ejemplo, se han localizado zonas en las que se conoce que el campo magnético constituyeron una magnetosfera propia. Algunas regiones aun tienen el campo en las rocas, formando escudos protectores que se elevan cientos de kilómetros sobre la superficie.

Aún más emocionante es el descubrimiento que la sonda Galileo realizó a principios de los 90. En su camino hacia Jupiter, sobrevoló los asteroides Ida y Gaspra, diminutas rocas de unos 30 y 20 kilómetros de largo respectivamente. Al contrario de lo que se pensaba, ambos cuerpos contenían campos magnéticos muy débiles. Según parece en algún momento formaron parte de un cuerpo mayor lo suficientemente grande como para tener un núcleo fundido -quizá incluso pertenecieron a un planeta o un satélite que explotó por una colisión.

Alrededor de los asteroides también encontró zonas libres de partículas cargadas, como nuestra magnetosfera. Pero estas zonas estaban mucho más lejos de la superficie de los asteroides de lo que cabía esperar, dada la debilidad de los campos magnéticos. ¿Qué estaba pasando?

La respuesta se encuentra en los detalles de lo que ocurre cuando una partícula cargada choca con un campoi magnético. Primero, experimenta una fuerza perpendicular a las líneas de campo. El momento de la partícula lo mantiene viajando hacia adelante, pero no en líneas rectas; en vez de eso, forma espirales alrededor de ellas con un radio característico llamado “radio Larmor”.

El radio Larmor depende de la fuerza del campo, la masa y la carga de la partícula, así como de la velocidad a la que se mueve. Allí donde el viento solar se encuentra con el campo magnético de la Tierra, una partícula típica de viento solar -un protón- tiene un radio Larmor de entre 20 y varios cientos de kilómetros. Al menos en teoría, esto significa que se necesita una magnetosfera de entre 20 y varios cientos de kilómetros para parar la partícula al chocar con la superficie.

En principio, no hay forma de que Ida o Gaspra tengan una magnetosfera de ese tamaño. La razón por la que pueden desvíarlas y lo hacen recae en el propio viento solar.

Debido a que el viento solar es plasma constituido por partículas cargadas, también lleva un campo magnético. Cuando el campo del viento solar se encuentra con la mini-magnetosfera de la roca, ambos campos chocan, provocando una fuerza mutua. Como el  campo del viento solar está creado por partículas libres, es el que se rinde, alterando la orientación para minimizar el conflicto con el campo de la magnetosfera.

Algunas partes del viento solar se cambian más fácilmente que otras. Los protones cargados positivamente tienen cerca de 2000 veces la masa de los electrones cargados negativamente, por lo tanto, estos últimos se desvían con mayor facilidad. Los electrones se mantienen en la superficie de la burbuja magnética, mientras que los protones entran más adentro.

Esta separación de cargas positivas y negativas genera campos eléctricos intensos de hasta un millón de veces más fuerza que los campos que los crearon. Las partículas de viento solar provocadas por el choque cgolisionan con estos campos eléctricos y se desvian mucho. El resultado es un efecto escudo mucho más potente que el que el campo magnético por sí solo podría dar.

Este es el efecto que Bamford y su equipo han observado en el laboratorio. Suspendieron un imán de unos 2.5 centímetros de diámetros en una gran cámara de vacío cilíndrica en RAL, luego insuflaron plasma hacia el imán a velocidades supersónicas. El radio de Larmor de las partículas en ese campo magnético es de unos 120 mm: deberían haber chocado de lleno con el imán. Pero no lo hicieron. A pesar de la mínima fuerza del campo magnético, ninguna de las partículas chocó con el imán (Plasma Physics and Controlled Fusion, vol 50, p 124025).

Sensores instalados en el túnel de viento del plasma mostraron que las líneas de campo rodearon el imán, creando una mini-magnetosfera. Más adentro hubo una disminución de la densidad de partículas cargadas: estaban sostenidas a una distancia corta por una burbuja protectora que se extendía 25 mm fuera del imán. “El plasma cargado eléctricamente no sólo rodeó el imán, sino que había un espacio grande que se podía ver a simple vista”, explicó. Esto es precisamente lo que los modelos por ordenador habían predicho.

Es un hito que podría cambiar las perspectivas para los vuelos tripulados. La NASA ya está buscando maneras de utilizar este fenómeno para gestionar la radiación espacial que está retrasando las exploraciones humanas a la luna, Marte y más lejos. Una de esas formas es encontrar un medicamente que reduzca la predisposición de los astronautas a tener cáncer o que pueda reparar su ADN. Otra es llevar pesados escudos de metal o tanques de agua para imitar el efecto de la atmósfera terrestre, que absorbe la mayoría de las partículas no cargadas que atraviesan la magnetosfera.

Ahora la NASA podría tener una tercera opción: construir una nave que lleve su propia magnetosfera protectora, generada por un electroimán a bordo.

Es una idea muy buena, según Andrew Coates, del Laboratorio de Ciencia Espacial Mullard en Reino Unido. “Creo que escalar una magnetosfera al tamaño de una nave podría funcionar”, dijo. Aunque también apuntó varios problemas. La energía siempre es escasa en estas misiones y no está claro que la mini-magnetosfera pueda desviar partículas de alta energía. “Creo que las partículas energéticas la atravesarían”, comentó.

Tito Mendonça, del Instituto Superior Técnico de Lisboa también está intrigado -y también es cauto. “Es conocido que nuestra magnetosfera natural nos protege de forma muy efectiva del viento solar”, dijo. “Pero hasta que punto esto también ocurre en mini-magnetosferas no está claro aún”. No es sólo que las partículas de alta energía puedan atravesarla, apunta: una magnetosfera no hace nada para desviar partículas neutras como los fotones de alta energía.

Bamford ya había pensado en estos problemas, pero apunta que una mini-magnetosfera podría utilizarse junto con escudos pesados que detengan la radiación de alta energía y la neutra. “Si sales y está lloviendo, puedes llevar un abrigo -pero también puedes llevar un paraguas”, dijo. “Eso es lo que es la mini-magnetosfera -un paraguas de plasma sostenido por campos magnéticos. Incluso si sólo elimina el 50% de las partículas solares, podría ayudar a proteger en escudo de gran masa, permitiendo que fuese menos pesado”, comentó. Esto permitiría que la aeronave llevase menos combustible.

Bamfords está en conversaciones con la ESA y la NASA sobre las posibilidades que tiene su experimento aunque no puede dar más detalles. “Hay problemas de confidencialidad”, explicó. Lo que sí dijo es que NASA está de acuerdo en que las viejas suposiciones sobre los límites de los escudos magnéticos han de ser revisados. “Quieren trabajar con nostros -una solución a su mayor problema con la exploración tripulada”.

Tampoco es que vaya a ser fácil. No está claro si el efecto se puede escalar hacia arriba: hay una gran diferencia entre proteger un imán del tamaño de un pulgar y una aeronave. No sabemos si podría lidiar con una tormenta solar, que le lanzaría partículas con energías de millones, quizá billones de electronvoltios. Las bombas de Hiroshima y Nagasaki produjeron rayos gamma con energías superiores a los 10 millones de electronvoltios. Nadie sabe con precisión el efecto de una exposición corporal a partículas con energías 10 veces superiores, pero no será algo bueno. “Sería como poner tu cabeza en un acelerador de partículas”, dijo Bamford.

Bamford y su equipo realizan simulaciones que muestran que el campo eléctrico puede desviar más iones, pero la pregunta es qué coste energético tendría esto y aun no lo saben. “Es lo que estamos intentando averiguar ahora”, comentó.

Hasta que consigan esos datos mediante simulaciones por ordenador y realicen más experimentos, deberíamos ser cautos pero optimistas. El escudo magnético revive, y quizá, sólo quizá, el viaje al Planeta Rojo pueda tener luz verde.

Este artículo ha sido traducido de New Scientist y publicado bajo licencia CC by-sa

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