Las tormentas solares pueden destruir fácilmente los satélites: así es como
marzo 6, 2022
El 4 de febrero de 2022, SpaceX lanzó 49 satélites como parte del proyecto de Internet Starlink de Elon Musk, la mayoría de los cuales se quemaron en la atmósfera días después. La causa de este fracaso de más de 50 millones de dólares americanos fue una tormenta geomagnética provocada por el Sol.
Las tormentas geomagnéticas ocurren cuando el clima espacial golpea e interactúa con la Tierra. El clima espacial es causado por fluctuaciones dentro del Sol que impulsan electrones, protones y otras partículas al espacio. Estudio los peligros que el clima espacial representa para los activos espaciales y cómo los científicos pueden mejorar los modelos y predicciones del clima espacial para protegerse contra estos peligros.
Cuando el clima espacial llega a la Tierra, desencadena muchos procesos complicados que pueden causar muchos problemas para cualquier cosa en órbita. Y los ingenieros como yo estamos trabajando para comprender mejor esos riesgos y defender los satélites contra ellos.
¿Qué causa el clima espacial?
El Sol siempre libera una cantidad constante de partículas cargadas al espacio. Esto se llama el viento solar. El viento solar también lleva consigo el campo magnético solar. A veces, las fluctuaciones localizadas en el Sol impulsarán explosiones inusualmente fuertes de partículas en una dirección particular. Si la Tierra se encuentra en el camino del viento solar mejorado generado por uno de estos eventos y se ve afectada, se produce una tormenta geomagnética.
Les deux causes les plus courantes d’orages géomagnétiques sont les éjections de masse coronale – des explosions de plasma de la surface du Soleil – et le vent solaire qui s’échappe par les trous coronaux – des points de faible densité dans l’atmosphère extérieure del sol.
La velocidad a la que el plasma expulsado o el viento solar llega a la Tierra es un factor importante: cuanto más rápida es la velocidad, más fuerte es la tormenta geomagnética. Normalmente, el viento solar viaja a alrededor de 900.000 mph (1,4 millones de km/h). Pero los eventos solares fuertes pueden desencadenar vientos hasta cinco veces más rápidos.
La tormenta geomagnética más fuerte registrada fue causada por una eyección de masa coronal en septiembre de 1859. Cuando la masa de partículas golpeó la Tierra, provocó sobretensiones eléctricas en las líneas telegráficas que sorprendieron a los operadores y, en algunos casos extremos, incendiaron los instrumentos telegráficos. La investigación sugiere que si una tormenta geomagnética de esta magnitud golpeara la Tierra hoy, causaría daños por aproximadamente $ 2 billones.
Un escudo magnético
Las emisiones del Sol, incluido el viento solar, serían increíblemente peligrosas para cualquier vida que tuviera la mala suerte de estar directamente expuesta a ellas. Afortunadamente, el campo magnético de la Tierra hace mucho para proteger a la humanidad.
Lo primero que golpea el viento solar cuando se acerca a la Tierra es la magnetosfera. Esta región que rodea la atmósfera terrestre está llena de plasma compuesto de electrones e iones. Está dominado por el fuerte campo magnético del planeta. Cuando el viento solar golpea la magnetosfera, transfiere masa, energía e impulso a esta capa.
La magnetosfera puede absorber la mayor parte de la energía del viento solar a nivel diario. Pero durante fuertes tormentas, puede sobrecargarse y transferir el exceso de energía a las capas superiores de la atmósfera terrestre cerca de los polos. Esta redirección de energía hacia los polos impulsa fantásticos eventos de auroras boreales, pero también provoca cambios en la atmósfera superior que pueden dañar los activos espaciales.
Peligros para lo que está en órbita
Las tormentas geomagnéticas amenazan a los satélites en órbita que sirven diariamente a las personas en tierra de diferentes maneras.
Cuando la atmósfera absorbe energía de las tormentas magnéticas, se calienta y se expande hacia arriba. Esta expansión aumenta drásticamente la densidad de la termosfera, la capa de la atmósfera que se extiende desde unas 50 millas (80 kilómetros) hasta unas 600 millas (1.000 km) sobre la superficie de la Tierra. Una mayor densidad significa más resistencia, lo que puede ser un problema para los satélites.
Esta situación es exactamente lo que condujo a la desaparición de los satélites SpaceX Starlink en febrero. Los satélites Starlink son lanzados por cohetes Falcon 9 en una órbita de baja altitud, generalmente entre 60 y 120 millas (100 y 200 km) sobre la superficie de la Tierra. Luego, los satélites usan motores a bordo para superar lentamente la fuerza de arrastre y elevarse a su altitud final de aproximadamente 350 millas (550 km).
El último lote de satélites Starlink se encontró con una tormenta geomagnética mientras aún se encontraba en una órbita terrestre muy baja. Sus motores no pudieron superar el gran aumento de la resistencia y los satélites comenzaron a caer lentamente hacia la Tierra y finalmente se quemaron en la atmósfera.
El arrastre es solo uno de los peligros que el clima espacial representa para los activos espaciales. El aumento significativo de electrones de alta energía en la magnetosfera durante fuertes tormentas geomagnéticas significa que más electrones penetrarán el escudo de una nave espacial y se acumularán en su electrónica. Esta acumulación de electrones puede descargarse en lo que es esencialmente un pequeño rayo y dañar la electrónica.
La radiación penetrante o las partículas cargadas en la magnetosfera, incluso durante tormentas geomagnéticas leves, también pueden alterar la señal de salida de los dispositivos electrónicos. Este fenómeno puede causar errores en cualquier parte del sistema electrónico de una nave espacial, y si el error ocurre en algo crítico, todo el satélite puede fallar. Los errores pequeños son comunes y generalmente reparables, pero las fallas totales, aunque raras, ocurren.
Finalmente, las tormentas geomagnéticas pueden alterar la capacidad de los satélites para comunicarse con la Tierra mediante ondas de radio. Muchas tecnologías de comunicación, como el GPS, por ejemplo, se basan en ondas de radio. La atmósfera siempre distorsiona las ondas de radio en cierta medida, por lo que los ingenieros corrigen esta distorsión cuando construyen sistemas de comunicación. Pero durante las tormentas geomagnéticas, los cambios en la ionosfera, el equivalente cargado de la termosfera que abarca aproximadamente el mismo rango de altitud, cambiarán la forma en que las ondas de radio pasan a través de ella. Las calibraciones establecidas para una atmósfera tranquila se vuelven erróneas durante las tormentas geomagnéticas.
Esto, por ejemplo, dificulta el bloqueo de las señales GPS y puede interrumpir el posicionamiento en unos pocos metros. Para muchas industrias (aeronáutica, marítima, robótica, transporte, agricultura, militar y otras), los errores de posicionamiento GPS de unos pocos metros simplemente no son sostenibles. Los sistemas de conducción autónomos también requerirán un posicionamiento preciso.
Cómo protegerse del clima espacial
Los satélites son de vital importancia para el funcionamiento de gran parte del mundo moderno, y proteger los activos espaciales del clima espacial es un área importante de investigación.
Algunos de los riesgos se pueden minimizar protegiendo los componentes electrónicos de la radiación o desarrollando materiales que sean más resistentes a la radiación. Pero no hay mucha protección que se pueda tener contra una poderosa tormenta geomagnética.
La capacidad de predecir tormentas con precisión protegería de manera preventiva los satélites y otros activos hasta cierto punto apagando los dispositivos electrónicos sensibles o reorientando los satélites para una mejor protección. Pero mientras que el modelado y el pronóstico de tormentas geomagnéticas ha mejorado dramáticamente en los últimos años, las proyecciones a menudo están fuera de lugar. La Administración Nacional Oceánica y Atmosférica había advertido que después de una eyección de masa coronal, era «probable» que ocurriera una tormenta geomagnética el día anterior o el día del lanzamiento de Starlink en febrero. La misión todavía tuvo lugar.
El Sol es como un niño que a menudo hace berrinches. Es esencial para que la vida continúe, pero su diseño en constante cambio lo dificulta.
Artículo de Piyush Mehta, Profesor Asistente de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial, Universidad de West Virginia
Este artículo se vuelve a publicar de The Conversation bajo una licencia Creative Commons. Lea el artículo original.
