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Un apagón en la ciudad de Nueva York provocado por un evento Miyake.
(SDXL/IA/Novaceno)
Unas naves espaciales equipadas con velas solares servirían como sistemas de alerta temprana ante la llegada de grandes tormentas solares potencialmente desastrosas para nuestra civilización
La floreciente industria espacial y las tecnologías de las que depende cada vez más la sociedad (redes eléctricas, aviación y telecomunicaciones) son todas vulnerables a la misma amenaza: el clima espacial.
Clima espacial es cualquier variación en el entorno que hay entre el Sol y la Tierra. Un tipo común de fenómeno meteorológico espacial es la eyección de masa coronal interplanetaria.
Estas eyecciones son haces de campos magnéticos y partículas que se originan en el Sol. Pueden viajar a velocidades de hasta 2.000 kilómetros por segundo y pueden causar tormentas geomagnéticas.
Estos fenómenos son responsables de las hermosas auroras boreales que a veces se pueden ver en el cielo, pero también pueden interrumpir el funcionamiento de los satélites, apagar la red eléctrica y exponer a los astronautas a dosis letales de radiación.
Soy heliofísico y experto en meteorología espacial, y mi equipo está liderando el desarrollo de una próxima generación de satélites llamada SWIFT, diseñada para predecir con antelación fenómenos meteorológicos espaciales potencialmente peligrosos. Nuestro objetivo es pronosticar fenómenos meteorológicos espaciales extremos con mayor precisión y anticipación posibles.
Los peligros del clima espacial
Ahora, los intereses comerciales constituyen una gran parte de la exploración espacial, centrándose en el turismo espacial, creando redes de satélites y trabajando en la explotación de recursos de la Luna y asteroides cercanos.
El espacio también es un dominio clave para las operaciones militares. Los satélites proporcionan capacidades esenciales para la comunicación militar, la vigilancia, la navegación y la inteligencia.
A medida que países como Estados Unidos dependen cada vez más de la infraestructura espacial, los fenómenos meteorológicos espaciales extremos representan una amenaza mayor. Hoy en día, el clima espacial amenaza hasta 2,7 billones de dólares en activos a nivel mundial.
En septiembre de 1859, se produjo el fenómeno meteorológico espacial más potente registrado, conocido como el evento de Carrington, que provocó incendios en América del Norte y Europa supercargando líneas telegráficas. En agosto de 1972, otro evento similar al de Carrington casi impactó a los astronautas que orbitaban la Luna, emitiendo una dosis de radiación podría haber sido fatal. Más recientemente, en febrero de 2022, SpaceX perdió 39 de sus 49 satélites Starlink recién lanzados debido a un evento climático espacial moderado.
Los monitores meteorológicos espaciales actuales
Los servicios meteorológicos espaciales dependen en gran medida de satélites que monitorean el viento solar —compuesto por líneas de campo magnético y partículas provenientes del Sol— y comunican sus observaciones a la Tierra. Los científicos pueden entonces comparar esas observaciones con registros históricos para predecir el clima espacial y explorar cómo la Tierra puede responder a los cambios observados en el viento solar.
El campo magnético terrestre protege de forma natural a los seres vivos y a los satélites terrestres de la mayoría de los efectos adversos del clima espacial. Sin embargo, los fenómenos meteorológicos espaciales extremos pueden comprimir, o en algunos casos, descomponer, el escudo magnético terrestre.
Este proceso permite que las partículas del viento solar lleguen a nuestro entorno protegido —la magnetosfera– y exponer a los satélites y los astronautas a bordo de las estaciones espaciales a duras condiciones.
La mayoría de los satélites que monitorizan continuamente el clima espacial terrestre orbitan relativamente cerca del planeta. Algunos satélites están posicionados en órbita terrestre baja, a unos 161 kilómetros sobre la superficie de la Tierra, mientras que otros están en órbita geosincrónica, aproximadamente a 40.000 kilómetros de distancia.
A estas distancias, los satélites permanecen dentro del escudo magnético protector de la Tierra y pueden medir con fiabilidad la respuesta del planeta a las condiciones meteorológicas espaciales. Sin embargo, para estudiar más directamente el viento solar que nos llega, los investigadores utilizan satélites adicionales ubicados más arriba, a cientos de miles de kilómetros de la Tierra.
Los Estados Unidos, la Agencia Espacial Europea y la India operan satélites de monitoreo del clima espacial ubicados alrededor del Punto de Lagrange L1 a casi 1.450.000 km de la Tierra, donde se equilibran las fuerzas gravitacionales del Sol y la Tierra. Desde esta posición estratégica, los monitores meteorológicos espaciales pueden proporcionar hasta 40 minutos de aviso sobre la llegada de eventos solares.
Alerta anticipada sobre el clima espacial
Aumentar el tiempo de advertencia más allá de los 40 minutos (el tiempo de advertencia actual) ayudaría a los operadores de satélites, planificadores de redes eléctricas, directores de vuelo, astronautas y Oficiales de la Fuerza Espacial a prepararse mejor para fenómenos meteorológicos espaciales extremos.
Por ejemplo, durante las tormentas geomagnéticas, la atmósfera se calienta y se expande, lo que aumenta la resistencia aerodinámica de los satélites en órbita terrestre baja. Con suficiente antelación, los operadores pueden actualizar sus cálculos de resistencia aerodinámica para evitar que los satélites desciendan y se quemen durante estos eventos. Con los cálculos de resistencia aerodinámica actualizados, los operadores de satélites podrían utilizar los sistemas de propulsión de los satélites para maniobrarlos más arriba en la órbita.
Las aerolíneas podrían modificar sus rutas para evitar exponer a pasajeros y personal a altas dosis de radiación durante tormentas geomagnéticas. Además, los futuros astronautas que viajen o trabajen en la Luna o Marte, que carecen de protección contra estas partículas, podrían recibir alertas con antelación para que se pongan a cubierto.
Los amantes de las auroras también apreciarían tener más tiempo para llegar a sus destinos de observación favoritos.
Una hora de tiempo para reaccionar
Mi equipo y yo hemos estado desarrollando una nueva constelación de satélites meteorológicos espaciales, llamada SWIFT (frontera de investigación del clima espacial) que colocará, por primera vez, un monitor meteorológico espacial más allá del punto L1, a 2,1 millones de kilómetros de la Tierra. Esta distancia permitiría a los científicos informar a los responsables de la toma de decisiones sobre cualquier fenómeno meteorológico espacial terrestre hasta casi 60 minutos antes de su llegada.
Los satélites con sistemas tradicionales de propulsión química y eléctrica no pueden mantener una órbita en esa ubicación —más alejada de la Tierra y más cerca del Sol— por mucho tiempo. Esto se debe a que necesitarían quemar combustible continuamente para contrarrestar la atracción gravitatoria del Sol.
Para abordar este problema, nuestro equipo ha dedicado décadas al diseño y desarrollo de un nuevo sistema de propulsión. Nuestra solución está diseñada para alcanzar de forma asequible una distancia más cercana al Sol que el punto L1 tradicional, y para operar allí de forma fiable durante más de una década aprovechando un recurso abundante y fiable: la luz solar.
SWIFT utilizaría un sistema de propulsión sin combustible llamado vela solar para alcanzar su órbita. Una vela solar es una superficie reflectante del grosor de un cabello —que simula un espejo muy fino— que abarca aproximadamente un tercio de un campo de fútbol. Equilibra la fuerza de las partículas de luz provenientes del Sol, que la alejan, con la gravedad solar, que la atrae hacia adentro.
Mientras que un velero aprovecha la sustentación creada por el viento que fluye sobre sus velas curvas para moverse a través del agua, una vela solar aprovecha el impulso de los fotones de la luz solar, reflejados en su gran y brillante vela, para impulsar una nave espacial por el espacio. Tanto el velero como la vela solar aprovechan la transferencia de energía de sus respectivos entornos para impulsar el movimiento sin depender de los propulsores tradicionales.
Una vela solar podría permitir a SWIFT ingresar a una órbita sub-L1 que de otro modo sería inestable sin el riesgo de quedarse sin combustible.
La NASA lanzó con éxito su primera vela solar en 2010. Este prototipo en el espacio, llamado NanoSail-D2, contaba con 10 metros cuadrados de vela y fue colocado en órbita terrestre baja. Ese mismo año, la Agencia Espacial Japonesa lanzó una misión de vela solar más grande, IKAROS, que desplegó una vela de 196 metros cuadrados en el viento solar y orbitó Venus con éxito.
La Sociedad Planetaria y la NASA siguieron con el lanzamiento de dos velas en la órbita terrestre baja: una Vela ligera, con una superficie de 32 metros cuadrados, y el sistema avanzado de vela solar compuesta, con una superficie de 80 metros cuadrados.
La misión de demostración de vela solar del equipo SWIFT, Solar Cruiser, estará equipada con una vela mucho más grande: tendrá una superficie de 1.653 metros cuadrados y se lanzará a principios de 2029. Nosotros ya hemos implementado con éxito un cuadrante de la vela en la Tierra a principios del año pasado.
Para transportarla al espacio, el equipo doblará y compactará meticulosamente la vela dentro de un pequeño contenedor. El mayor desafío será desplegar la vela una vez en el espacio y usarla para guiar el satélite a lo largo de su trayectoria orbital.
De tener éxito, Solar Cruiser sentará las bases para la constelación de cuatro satélites de SWIFT. La constelación incluiría un satélite con propulsión a vela, que se colocaría en una órbita más allá de L1, y tres satélites más pequeños con propulsión química en órbita en el punto de Lagrange L1.
Los satélites permanecerán estacionados indefinidamente en L1 y más allá, recopilando datos del viento solar sin interrupción. Cada uno de los cuatro satélites puede observar el viento solar desde diferentes ubicaciones, lo que ayuda a los científicos a predecir mejor su posible evolución antes de llegar a la Tierra.
Como la vida moderna depende cada vez más de la infraestructura espacial, seguir invirtiendo en la predicción del clima espacial puede proteger las tecnologías espaciales y terrestres.