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Divulgar es tener conciencia de una altísima misión: poner al alcance de la mayoría el patrimonio científico de la minoría. Manuel Calvo Hernando Another Day in the Lab

17/10/20 - DJ:

Sobre los cinturones de Van Allen

T.E.L: 10 min.

Verdades y mentiras sobre los anillos de radiación.



Algunas personas dicen que los anillos de Van Allen, que rodean a la Tierra, impiden la exploración espacial, por lo que todos los datos recopilados en los últimos 60 años son una farsa realizada por una confabulación internacional de científicos.

La verdad es muy distinta. Sí, existe tal radiación, pero no impide la exploración espacial, aunque es peligrosa. ¿Cuán peligrosa? ¿Cómo se mide esa peligrosidad?

La historia cuenta que hace casi 60 años, un contador Geiger comenzó a sonar rápido. El dispositivo estaba a bordo de la primera nave espacial de EE.UU., la Explorer 1, lanzada unos meses después que los soviéticos comenzaran la Era Espacial con las Sputnik 1 y 2.

La misión no pretendía descubrir esa radiación, sino investigar los rayos cósmicos. Pero lo que detectó aquella nave superaba en mucho lo esperado, ya que no eran solo rayos cósmicos, sino la primera evidencia de lo que actualmente se llama "Cinturones de Radiación". El científico a cargo se llamaba Van Allen, por lo que también se llama a la zona como "Cinturones de Van Allen".

Por lo tanto, no solo esta radiación no impide la exploración espacial, sino que gracias a ésta es que se descubrió la existencia de estas zonas de radiación. 


Al principio se hallaron dos regiones, un cinturón exterior y otro interior. El exterior está compuesto de miles de millones de partículas de alta energía del Sol, atrapadas en el campo magnético terrestre, la magnetosfera. Se extienden a partir de los 15.000 km de altura de la superficie. El interior resulta de la interacción de rayos cósmicos con la atmósfera. Los satélites que circulen por estas regiones pueden resultar dañados. Esta radiación también es peligrosa para la salud, por ejemplo de astronautas. Se extiende desde los 500 km de la superficie hasta los 5000 km.

El cinturón interior interfiere con la Estación Espacial Internacional y el Telescopio Hubble, ubicados a 400 y 540 km de altura, respectivamente, debido a la Anomalía del Atlántico Sur. Se trata de una zona en la que el campo magnético terrestre está más cerca de la superficie y, por ende, es una región en la que la radiación del cinturón interior también está más cerca. Cuando el Hubble pasa por esta región, se apagan sus instrumentos. 
Para llegar a la Luna, las misiones Apollo pasaron por el cinturón interior durante una hora, aproximadamente, en cada viaje (ida).


Fig. 2: dosis de radiación promedio en rads, para las misiones Apolo. Fuente: Seeker/YouTube.

La investigación de estas zonas de radiación que comenzó en 1958, fue continuada durante todos estos años, no solo por EE.UU. Varias otras naves, de otros países, también detectaron estas zonas de radiación. Y en todos los casos, fue gracias a naves espaciales.

En 2012, la NASA lanzó las sondas Van Allen, dos naves gemelas para estudiar la dinámica de la región. Equipadas con los instrumentos adecuados y la protección debida, los investigadores lograron recolectar nuevos datos para descubrir, entre otras cosas, que en épocas de mayor actividad solar, aparece un tercer cinturón.

LAS SONDAS VAN ALLEN 
Conocidas también como RBSP (Radiation Belt Storm Probes), estas sondas son una excelente manera de explicar cómo se pueden estudiar estas regiones a pesar de su peligrosidad.
En el sitio de las sondas creado por el laboratorio de física de la Universidad John Hopkins hay una página para estudiantes. Allí figura un "Desafío de diseño", que es una especie de juego en el que se informa a través de textos y videos (todo en inglés) de los desafíos de crear una nave y sus instrumentos. Finalmente, el usuario debe responder un breve cuestionario para decidir cómo diseñar la nave. La idea es explicar cuestiones básicas. Usaré ese juego de divulgación como base.

LA RADIACIÓN: CATEGORÍAS
Hay diferentes maneras de clasificar las radiaciones. La radiación es luz, que se puede pensar como onda electromagnética o como partícula. De modo que se puede dividir la radiación como ondas de diferentes longitudes, frecuencias y energías o bien como partículas de diferentes energías.

Otra forma de clasificar las radiaciones es por su origen: rayos cósmicos, campo magnético terrestre, eventos solares.

Y otra manera de diferenciar las radiaciones es por su nivel de energía: las radiaciones más energéticas son ionizantes, es decir que genera iones, mientras que otras radiaciones son menos energéticas y no son ionizantes. Los iones pueden ser positivos o negativos. Como los electrones tienen carga negativa y los núcleos poseen carga positiva, cuando se quitan electrones de los átomos, éstos se hacen positivos. Cuando se agregan electrones, se hacen negativos. Existe el mito de que los iones negativos tendrían efectos benéficos para la salud. Incluso se venden dispositivos que supuestamente generan iones negativos, lo que es falso. Ver más información al respecto en un video enlazado (abajo).

Fig. 3: Cinturones de radiación: se muestra la Estación Espacial, las sondas gemelas y la ubicación de satélites GPS.

Todos sabemos que el Sol es indispensable para la vida humana, pero también peligroso. Nuestra estrella emite radiaciones de todas las longitudes de onda, algunas de las cuales son ionizantes. Parte de éstas son bloqueadas por la atmósfera. Pero la larga exposición al sol, sobre todo cuando está alto, es peligrosa. Por eso se usan bloqueadores de radiación Ultra Violeta (UV), sean cremas o espráis.
Los bloqueadores se venden con diferentes "factores de protección solar (FPS)". Estos factores están relacionados con el tiempo de duración del bloqueador. A mayor factor, menos rápido es necesario renovar la aplicación. Pero en todos los casos, es necesario renovar cada cierto tiempo, ya que parte de la crema o espray se evapora o se absorbe.
Esto nos lleva a un concepto muy útil: la dosis. Hay ciertas dosis que se pueden considerar seguras y otras que no lo son. Cada dosis es una cantidad que siempre hay que pensar en relación al tiempo.

Lo mismo con las radiaciones ionizantes en general. Para eso se usan unidades de medida, a saber:
Unidades tradicionales: son el Röntgen, el Rad, el REM.
Unidades del sistema internacional: son las más utilizadas el Culombio/kg, el Gray (Gy) y el Sievert (Sv).

Las radiaciones ionizantes pueden producir diferentes daños a la salud, como cáncer por el descontrol de la división celular y degeneración del tejido de los órganos.

Por otro lado, estas radiaciones también pueden dañar equipos electrónicos. 

Fig. 4: Anomalía del Atlántico Sur. Rosat-NASA.

PROTECCIÓN CONTRA LA RADIACIÓN
De modo que ahora debemos pensar dos cosas:
1-¿Cuánta radiación resulta dañina?
2-¿Cómo proteger a personas y naves?

Como los astronautas viajan en naves, entonces la propia nave es su primera y fundamental protección. De allí que tener un "escudo" de protección en la nave es fundamental. Pero hay que tener en cuenta que el material de tal escudo puede producir partículas secundarias, que también pueden ser dañinas. De modo que la composición del material es importante. Un componente muy adecuado es el hidrógeno. Al tener un electrón (que absorbe fotones) y un único protón que no genera una lluvia secundaria de partículas, y ser un elemento muy común en el universo, es ideal.
Dos materiales muy usados en las naves espaciales son el aluminio y el polietileno.

Se pueden evaluar diferentes materiales, a saber:
Aluminio, cobre, acero inoxidable, tantalio, titanio, fibra de vidrio.
Cada material tiene diferente densidad y costo económico.

De modo que se prueban estos materiales en laboratorios. Se sabe que electrones de 1 MeV (un mega electrón-voltio) son los más rápidos (es decir, los más dañinos) que una nave podría encontrar en los cinturones Van Allen. De modo que se dispara un haz de electrones de esa energía sobre un material. Si las partículas traspasan el material, se le agrega otra capa y se vuelve a probar. Así, hasta que las partículas ya no puedan pasar. 
Para cada material se requieren diferentes capas. Y eso está dado por su densidad, por lo que los materiales más densos son mejores, pero también más pesados. En los materiales menos densos, que son también más livianos, es necesario agregar más capas.

Para estar más seguros, una vez que se conoce el grosor mínimo adecuado por el procedimiento anterior, se multiplica el grosor por 10, para tener mayor confianza de que tales partículas no puedan ingresar a la nave, tanto para proteger a los astronautas como a los instrumentos. Estas pruebas se suelen hacer en aceleradores de partículas.


Fig. 5: En el Laboratorio de Radiación Espacial de NASA (NSRL) en Brookhaven, un investigador coloca una muestra en la línea de emisión donde los materiales son sujetos a un haz de iones que simulan la radiación cósmica para estudiar su conveniencia como protección de las naves espaciales.

Aquí vemos los resultados de hacer estas pruebas con diferentes materiales. Se indica el grosor mínimo y el grosor "para estar seguros" (diez veces mayor). Luego se muestran los resultados de los mismos materiales frente a protones de 10 MeV.


Fig. 6: Test Materiales resultados

Pero además del grosor, hay que tener en cuenta otros factores. Aquí una tabla con otros datos para considerar, como la densidad, masa, peso y costo económico.


Fig. 7: Test Materiales resumen

Como es evidente, una pequeña cantidad de tantalio (0,17 cm) es suficiente protección, pero pesa 7 kg y cuesta USD 12.000.
En cambio, con una mayor cantidad de aluminio (0,56 cm) se logra la misma protección, pero pesa 3,8 kg y cuesta USD 8.
¿Usted cuál usaría?

El Electrón-Voltio
Un eV es una unidad usada para medir energía. Corresponde a la energía necesaria para mover un electrón a través de un Voltio de potencial, es decir que la diferencia de potencial del campo eléctrico es de 1 voltio. Un eV tiene la cantidad de energía necesaria para afectar a partículas individuales como las que se hallan en el espacio. Por ejemplo, 13,6 eV de energía quitarán un electrón a un átomo de Hidrógeno. Ese tipo de átomos de hidrógeno ionizado son muy comunes en el Universo, por ejemplo en las regiones HII.

DOSIS DE RADIACIÓN: MATEMÁTICAS AL RESCATE
Todo muy lindo, pero tenemos que pasar el concepto de dosis a números. En el sitio de las Sondas Van Allen hay algunos materiales introductorios (y otros más avanzados) sobre las dosis de radiación, que veremos a continuación.
Dos de las unidades más usadas son el Sievert (Sv) y el Gray (Gy). Gray es la cantidad de energía depositada en el material, mientras Sievert es la cantidad de energía y daño que la radiación causa en el tejido orgánico.

1 Gy = 1 Sv multiplicado por el daño causado.

Para Rayos-X y Rayos-Gamma, 1 Gy = 1.0 Sv
Para electrones, 1 Gy = 1.0 Sv
Para protones, 1 Gy = 2.0 Sv

1 milisievert (1 mSv = 0.001 Sv) y 1 microsievert (1 μSv = 0.000001 Sv).

1 milisievert /1000 = 1 microsievert.

En la vida cotidiana, recibimos radiaciones permanentemente, pero como su dosis es muy baja, no es dañina. Medida en miliSv, menos de 200 miliSv no produce síntomas.
En un año, podemos recibir 2,4 miliSv de radiación natural (promedio global). Al sacarnos una placa de rayos-X del pecho, recibimos 0,05 miliSv. En un viaje redondo entre Tokio y Nueva York, podemos recibir 0.19 miliSv de rayos cósmicos. Una parte de la radiación que podemos recibir la produce el radón (ver enlace abajo).


Fig.8: Radiaciones en la vía cotidiana, dosis en miliSv.

CUATRO PROBLEMAS DE DOSIS

Problema 1: Un ser humano en la Tierra recibe una dosis total de 4 miliSv cada año del ambiente natural, la comida, y otras fuentes de las que se tiene poco control. ¿Cuál es la dosis de radiación en A) microSv/día B) microSv/hora?

Respuesta: 
A) 4 miliSv/365 días = 0,010 miliSv/día o 10 microSv/día.
B) 10 microSv/día x 1 día /24 horas= 0,4 microSv/hora.

Problema 2: La tasa de dosis de radiación en la Estación Espacial Internacional (EEI) es 1 miliSv/Día. ¿A cuántos días de radiación de fondo natural equivale en la superficie?
Respuesta: un día en la superficie equivale a 10 microSv o 0,010 miliSv. Por lo que cada día en la EEI equivale a 100 días en la superficie.

Problema 3: En los cinturones Van Allen, el promedio de dosis de radiación para un satélite es de 50 Gray por año. Si un astronauta tuviera la misma protección que el satélite y requiere 1 hora de viaje a través de los cinturones, ¿cuál será la dosis al final del viaje si 1 Gray = 1 Sievert?

Respuesta: 50 Gy /365 días / 24 horas = 0,0057 Sv/hora (0,006 para redondear).
Para 1 hora de exposición en la nave, eso equivale a una dosis total de 6 miliSv.
La radiación promedio de fondo en la superficie es de 4 miliSv en un año, por lo que el astronauta en los cinturones de Van Allen acumularía una dosis anual de radiación en menos de una hora. Protección adicional reduciría considerablemente la dosis.

Problema 4: Los satélites son finalmente dañados por los efectos de la radiación acumulada en los años. Un satélite que acumule 1000 Grays (100 kilorads) de radiación está usualmente al final de su vida útil. ¿Cuánto durará un satélite en los cinturones Van Allen si su dosis anual es de 50 Gray por año para un satélite ligeramente protegido?
Respuesta: 1000/50= 20 años.

CONCLUSIÓN
Al igual que con los protectores solares que nos protegen de la peligrosidad de la radiación UV en base a una dosis, medida en el tiempo, que se puede bloquear, la radiación ionizante de rayos cósmicos y del Sol en los cinturones de Van Allen también se pueden bloquear con los protectores adecuados. 
Los cinturones de radiación son peligrosos para naves y humanos, pero no impiden la exploración espacial. Por contrario, gracias a tal exploración fueron descubiertos. 

En definitiva: exponerse a los rayos UV del Sol es peligroso. Pero, con las debidas precauciones, eso no nos impide hacer la vida normal. De igual modo, el estudio de los cinturones de radiación permite crear naves suficientemente protegidas de la radiación solar y los rayos cósmicos.

Fuentes y enlaces relacionados
Wikipedia Sondas Van Allen

Diez aspectos destacados de la misión Van Allen de la NASA

NASA RBSP

Sitio John Hopkins NASA

Studying the Van Allen Belts 60 Years After America’s First Spacecraft

Radiation Hardened Spacecraft - Design Challenge

The Van Allen Probes and Radiation Dose 

El radón y sus efectos en la salud

Veritasium: ¿Son los iones negativos buenos para ti?

Wikipedia: Exposición a las radiaciones ionizantes en humanos.

UNA “RAREZA ESPACIAL”*

Hubblecast 77: Hubble and the Bermuda Triangle of space

Seeker: The Van Allen Belts Are Lethal, This Is How Astronauts Fly Through Them

ROSAT: SAA


Sobre las imágenes
Imagen inicial Radiation Belt
Credit: Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory

Fig. 2: Tabla de dosis de radiación promedio Apolo: Seeker YouTube

Fig. 4: NASA/ROSAT

Fig. 5: Brookhaven National Laboratory

Fig. 3-6-7: NASA JPUAPL

Fig. 8: NIRS.go.jp en NASA JHUAPL

Portada de revista Time, 4-5-1959
http://content.time.com/time/covers/0,16641,19590504,00.html


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