La radiación en el espacio es quizás el mayor problema de entre todos a los que deberán enfrentarse los seres humanos que quieran viajar más allá de la Luna. Mientras que los astronautas situados en la órbita baja se hallan protegidos por el campo magnético terrestre, los exploradores que se aventuren más allá estarán sometidos a altas dosis de radiación por culpa de las tormentas solares y los rayos cósmicos, más conocidos en la literatura técnica por las siglas SPE (Solar Particle Events) y GCR (Galactic Cosmic Radiation) respectivamente. Los tripulantes de las misiones Apolo se salvaron gracias al poco tiempo que permanecieron en el espacio, pero los primeros hombres en Marte no tendrán tanta suerte.
Blindar una nave espacial contra la radiación no es nada sencillo. Las tormentas solares (SPE) y los rayos cósmicos (GCR) están formados en su mayoría por protones -núcleos de hidrógeno- y partículas alfa -núcleos de helio-, pero mientras las partículas de los SPE son muy abundantes y relativamente poco energéticos, las de los GCR pueden tener energías relativistas, aunque su número es mucho menor. Las tormentas solares son imprevisibles, pero suelen ser más frecuentes alrededor de los máximos de actividad solar, justo cuando el flujo de GCR es menor. Para complicar las cosas, una pequeña fracción de los GCR son núcleos atómicos pesados, cuyos efectos sobre la salud a largo plazo son todo un misterio. Puesto que las partículas más energéticas son también las menos frecuentes, nos interesa ser prácticos y por eso el objetivo es reducir la radiación en el rango de 1-4 GeV por nucleón, que es la más dañina para el ser humano. Por supuesto, todo depende del riesgo que queramos -o mejor dicho, que los astronautas quieran- correr. Nadie va a morir fulminado por una tormenta solar en el espacio, pero sí que puede desarrollar cáncer en cuestión de pocos años a raíz de la misma.
El blindaje pasivo puede ser muy efectivo para partículas con energías inferiores a 1 GeV/nucleón, pero las partículas más energéticas generan una cascada de partículas secundarias -principalmente neutrones- al chocar contra los núcleos del blindaje, en ocasiones con efectos aún más perniciosos. Doblar el espesor de la pared metálica de una nave apenas reduce el flujo de partículas más energéticas y está claro que la solución no pasa por diseñar naves con muros de varios metros de espesor. Los mejores materiales para frenar las partículas de la radiación espacial son el agua, el hidrógeno y los plásticos. Es decir, los materiales menos usados en la construcción de estructuras espaciales. No obstante, incluso estas sustancias ofrecen poca protección ante los rayos cósmicos más energéticos.
La única salida a este atolladero parecen ser los métodos activos, o lo que es lo mismo, usar campos magnéticos o electrostáticos para desviar las partículas cargadas de la radiación espacial. El empleo de campos magnéticos parece el más simple e intuitivo. No en vano, se trataría de imitar a pequeña escala lo que hace la Tierra -o mejor dicho, su núcleo-. Además, los campos magnéticos no cambian la energía de la partícula incidente -sólo desvían su trayectoria-, lo que supone una ventaja frente a los campos electrostáticos. El pequeño inconveniente de esta técnica es que los imanes necesarios para generar un campo lo suficientemente intenso para desviar partículas con energías por debajo de 2 GeV/nucleón serían increíblemente masivos y consumirían una potencia eléctrica bestial, a lo que hay que añadir el hecho de que los campos magnéticos muy intensos pueden tener efectos adversos para la salud.
Parece un callejón sin salida… o no, si usamos superconductores. Naves dotadas de electroimanes a base de materiales superconductores de alta temperatura podrían ser la solución a este dilema. El Instituto de Conceptos Innovadores y Avanzados (NIAC) de la NASA ha publicado recientemente un estudio en el que demuestra que un conjunto de seis solenoides superconductores de 15-20 metros de longitud y 4-8 metros de diámetro constituirían la mejor configuración para desviar el mayor número de partículas incidentes con energías por debajo de 2 GeV/nucleón gracias a un campo magnético de unas 4 teslas. El hábitat de la tripulación estaría en el centro de esta configuración hexagonal, rodeado por una bobina adicional que permitiría que el campo en el interior de los compartimentos de la tripulación fuese nulo. La masa de este escudo activo superconductor sería de 50 toneladas, a la que habría que sumar otras 27 toneladas para el hábitat de la tripulación, de 6 x 10 metros. Y eso sin contar con el sistema de propulsión y el combustible. Con el fin de generar estos campos magnéticos se requeriría una potencia eléctrica de 26 kW, proporcionada por un reactor nuclear, RTGs o paneles solares.
En total se requerirían tres lanzamientos del SLS solamente para montar la nave con su escudo en órbita. Los solenoides se desplegarían en una órbita elevada o en el espacio profundo para evitar la radiación infrarroja -el calor, vamos- emitida por la Tierra y permitir el correcto funcionamiento de los superconductores, que estarían refrigerados por helio gaseoso. El escudo magnético ofrecería la misma protección contra tormentas solares que 140 toneladas de una capa de polietileno de 75 centímetros de espesor, lo que resulta ciertamente sorprendente. Este sistema permitiría reducir las dosis de radiación a niveles similares o menores que los encontrados en la órbita baja, pero sin embargo estaría lejos de asegurar una protección significativa frente a los rayos cósmicos más peligrosos (entre 2 y 4 GeV).
La otra alternativa de blindaje activo son los campos electrostáticos. Puesto que cuanto mayor sea la superficie de la estructura cargada mayor será su capacidad de desviar partículas (ya que aumenta su capacidad eléctrica), lo ideal es crear estructuras desplegables muy finas y muy extensas que rodeen la nave, un concepto que también ha sido investigado por el NIAC de la NASA. Eligiendo una geometría adecuada para los campos eléctricos se puede lograr una zona de protección alrededor de la nave que evite el que las partículas desviadas terminen chocando con el vehículo. La mejor geometría parece ser la formada por seis polos positivos a 300 millones de voltios (!) situados a 50 metros de la nave y otros seis negativos al mismo voltaje y a 160 metros.
Desgraciadamente, todo esto parece sencillo en teoría, pero en la práctica resulta mucho más complicado. Los millones de voltios necesarios para un escudo de este tipo consumen una cantidad impresionante energía y si la geometría del escudo varía inadvertidamente se puede crear un flujo letal de partículas cargadas hacia las zonas tripuladas de la nave. Por todos estos motivos, el blindaje mediante campos electrostáticos aún está muy verde si lo comparamos con el magnético.
Evidentemente, todavía queda mucho trabajo antes de que los blindajes activos sean una tecnología madura y viable, pero poco a poco se hacen progresos. Y más nos vale que sea así, porque si queremos pisar Marte algún día, más tarde o más temprano deberemos lidiar de forma efectiva con el problema de la radiación.
Referencias:
- Magnet Architectures and Active Radiation Shielding Study, Shayne Westover et al. (Johnson Space Center/NASA, noviembre 2012).
- Meeting the Grand Challenge of Protecting Astronaut’s Health: Electrostatic Active Space Radiation Shielding for Deep Space Missions, Ram Tripathi et al. (NASA/NIAC, 2011).
- Presentación del paper anterior.
http://danielmarin.blogspot.com.es/2013/01/como-proteger-los-astronautas-de-la.html