Impacto: Efectos tecnológicos y biológicos de los rayos cósmicos
La radiación afecta a la electrónica y a otros equipos tecnológicos expuestos a ella, así como a las células de los seres vivos. Por radiación nos referimos a ondas electromagnéticas (fotones), partículas neutras y con carga eléctrica (electrones,protones, iones de He, también llamados partículas alfa, e iones de otros elementos químicos, a los que nos referiremos como iones pesados en lo sucesivo. La composición de la atmósfera puede verse alterada por la interacción con la radiación. La ionización es un factor clave para la aviación ya que esta afecta a la propagación de las ondas electromagnéticas. El continuo flujo de rayos cósmicos procedentes del sistema solar, así como el variable flujo procedente del Sol afectan a la tecnología y a la vida, si no estuvieran protegidas por la gruesa atmósfera o por el campo magnético de la Tierra. Las condiciones cambiantes de la meteorología espacia provocan diferentes riesgos radiológicos.
El entorno de las radiaciones naturales puede clasificarse en dos grupos: las partículas atrapadas por las magnetosferas del medio interplanetario en cinturones de radiación, y las agrupaciones de partículas extra-planetarias que comprenden electrones, protones e iones pesados de todos los elementos de la tabla periódica. Los componentes extra-planetarios consisten en partículas de rayos cósmicos galácticos (GCR) y partículas solares energéticas (SEP) vinculadas a eventos solares como las llamaradas y la eyección de masa coronal (CME). En lo sucesivo estudiaremos los efectos que tiene sobre la tecnología y sobre los seres vivos. A continuación se enumeran los modelos computacionales y el papel de los monitores de neutrones para la vigilancia y predicción de radiación extraplanetaria.
El impacto en la tecnología.
Hay varios tipos de daños directos que las partículas energéticas pueden causar a los equipos de vehículos espaciales e incluso aviones.
Las partículas energéticas pueden ionizar átomos y desplazarlos dentro de sus estructuras cristalinas. Por ejemplo, los paneles solares de los vehículos espaciales que abandonan la atmósfera sufren un fenómeno de degradación en su rendimiento debido al efecto acumulativo de daños derivados de estos desplazamientos dañinos provocados por las partículas energéticas. Un evento solar intenso de partículas energéticas puede, en unos días, provocar la degradación equivalente a la del funcionamiento normal durante un año entero bajo el efecto únicamente de rayos cósmicos galácticos. La ionización es generalmente el mecanismo dominante en la degradación del rendimiento de placas electrónicas. Las propiedades del teflón y de algunas pinturas utilizadas para regulación térmica pueden verse afectadas cuando se someten a altos grados de radiación. Todo esto acorta el tiempo de vida de los equipos.
El efecto de un evento singular (SEE) es provocar daños por la ionización particular de una partícula que atraviesa un dispositivo microelectrónico. La creación de pares electrón-hueco debido al impacto de una partícula energética puede alterar la respuesta normal de un circuito electrónico. Los SEU (single event upsets) son provocados especialmente por iones pesados procedentes de los rayos cósmicos primarios o secundarios procedentes de un protón muy energético en la atmósfera. Estos fallos pueden generar órdenes erróneas en los ordenadores de a bordo, o también latch-ups, que son estados anómalos de dispositivos electrónicos en los que se deja de responder a las señales de entrada. Los peores casos de SEE son los burns out (quemaduras), que son daños permanentes e irreversibles provocados por corrientes eléctricas parasitarias. Los sistemas actuales son cada vez más vulnerables debido a la miniaturización, ya que es necesario tener menos carga para poder provocar un SEE.
Los electrones energéticos también producen diversos daños cuando penetran en el vehículo espacial y transfieren su energía y carga eléctrica. En determinadas circunstancias esto puede provocar una descarga que interfiera con la instrumentación y los detectores, desviando la lectura de los mismos y desgastando sus materiales. La profundidad de penetración y la región donde puedan ocurrir los problemas dependerá de la energía de la partícula.
La mayor parte de la prevención y disminución de estos eventos recae sobre la ingeniería de los materiales y dispositivos, que deben construirse de forma que puedan soportar el daño que las distintas partículas puedan causar. El grado de protección dependerá de la evolución en el largo plazo de la intensidad del flujo de partículas y el número de eventos solares, es decir, en la fase del ciclo solar en la que nos encontremos. Si dicha fase pudiera determinarse con precisión sería de ayuda a la hora de especificar los requisitos de determinados satélites.
Pero como la meteorología espacial, y especialmente el flujo de partículas es variable, hay también periodos en los que el funcionamiento debería ser interrumpido. Por ejemplo, el lanzamiento de un vehículo espacial durante periodos con intensos eventos de partículas solares, en especial si su órbita atraviesa zonas polares.
El vuelo de aviones sobre rutas polares también se ve afectado por las partículas energéticas y los secundarios que éstas crean en la atmósfera de la Tierra alterándola (especialmente la atmósfera polar, ya que se encuentra menos protegida por el campo magnético de la Tierra). Los numerosos protones de relativa baja energía que penetran hasta alturas de 50-70km sobre el suelo ionizan la ionosfera polar. A este fenómeno causado por las partículas solares energéticas se le denomina absorción de la cúpula polar, o PCA (Polar Cup Absorption), ya que este aumento de la ionización aumenta el fenómeno de absorción de ondas electromagnéticas de baja frecuencia, como las utilizadas en las comunicaciones de la aviación civil. Estos vuelos se desviaron en el pasado durante eventos de partículas solares energéticas (por ejemplo en enero de 2005) para que pudieran recuperar las comunicaciones con los centros de control.
La magnetosfera de la Tierra no es siempre un escudo. También puede llegar a ser peligrosa. El viento solar introduce continuamente energía en el sistema, que se libera en eventos explosivos llamados subtormentas magnetosféricas. El intenso flujo de electrones generado durante estos eventos en la magnetosfera provocan cargas en los satélites de comunicaciones. Estos eventos ocurren en condiciones solares tranquilas, cuando el viento solar de alta velocidad procedente de los agujeros solares son particularmente eficientes transportando energía hacia la magnetosfera de la Tierra.
El impacto biológico
Las partículas energéticas son un riego potencia para la salud, ya que pueden llegar a dañar a las células. Cuando una partícula energética impacta contra una célula, deposita parte de su energía al interaccionar con los electrones y las moléculas que forman la célula. Las consecuencias de esta interacción depende de la especie y de la energía de la partícula (protón, ion, electrón, neutrón, fotón). Cualquier daño causado a las moléculas de la célula, especialmente al ADN, puede tener consecuencias para el futuro de la misma, su capacidad de división y el mantenimiento de su estructura. A su vez, en funcionamiento incorrecto de esta célula puede afectar al tejido u órgano al que pertenece.
Una célula dañada puede repararse a si misma. Si no tiene éxito en esta labor, morirá. Si muchas células mueren entonces el órgano dejará de funcionar correctamente.
Si la reparación no se hace totalmente bien, la célula puede reproducirse unas cuantas veces más, pero al hacerlo puede transferir los daños a las células hijas. De nuevo, el funcionamiento incorrecto de muchas de las hijas puede causar daños irreversibles al órgano. Las células dañadas que hayan sobrevivido puede a su vez ser precursoras de células cancerígenas.
La radiación cósmica por lo tanto constituye dos tipos de peligros para los seres vivos:
Altas dosis de radiación son una amenaza inmediata para la salud o incluso para la vida. Esto constituye un peligro para la tripulación de vuelos espaciales fuera de la magnetosfera terrestre. Los eventos de partículas energéticas solares están reconocidas como un riesgo crucial para vuelos a la Luna o Marte. El gran evento solar del cuatro de agosto de 1972 sucedió durante el periodo de vuelos del Apolo a la Luna. Podrían haber tenido consecuencias mortales de haber sucedido justo en el momento del vuelo. Por lo tanto, la seguridad de los astronautas es un factor decisivo en los vuelos que se programen en el futuro.
Las dosis bajas de radiación no acarrean consecuencias inmediatas, pero son un riesgo a largo plazo. La tripulación de misiones espaciales e incluso la de aviones que viajan repetidamente a través de regiones de la Tierra, cuya atmósfera se encuentra bajo exposición intensa, como es el caso de los polos, se encuentran en esta situación.
El mapa muestra las dosis de radiación medidas a bordo de la estación espacial Rusa MIR, a través del experimento Nausicaa de la Agencia Espacial Francesa (CNES) durante el aumento de radiación provocado por un evento de partículas solares en octubre de 1989. El diámetro de los círculos indica la dosis de radiación recibida. La órbita de la MIR, a una altitud de 420 km y con una inclinación de 51° con respecto al ecuador de la Tierra, lleva a la estación a través de las regiones polares de Canadá, del Océano Pacífico y del sur de Australia. Las dosis de radiación recibidas allí, tal y como muestra el diámetro de los círculos, están muy por encima de las de otras latitudes, con la excepción de la región débil del campo magnético del sur del Océano Atlántico. Existen también zonas de aumento de radiación que no están debidas a eventos solares sino a la circulación de partículas en el campo magnético de la Tierra.
Dosis de radiación debidas a los rayos cósmicos.
Los efectos sobre la salud de la exposición a la radiación depende de la cantidad de energía que absorban los tejidos (cuando más fuerte sea el flujo de las partículas mayor será la energía depositada), pero también depende del tipo de la partícula, su energía, y el órgano específico. Por ejemplo, los rayos X depositan energía de una forma relativamente uniforme en un volumen, mientras que la energía de los neutrones se deposita de forma más localizada, dependiendo de la reacción nuclear que se produzca en el tejido. Los neutrones tienen una mayor capacidad de crear lesiones que los protones de alta energía, electrones o rayos gamma.
Las dosis de radiación recibidas por el personal a bordo de estaciones espaciales y aeronaves debe ser vigilada, ya que los tiempo de exposición a niveles de bajos de radiación son acumulativos. La unidad utilizada para medir los efectos de la exposición prolongada a niveles bajos de radiación es el Sievert (Rolf Sievert, Físico Sueco 1896 - 1966). Representa la suma de las dosis de radiación absorbidas por diferentes órganos del cuerpo humano, ponderados por (1) la especie de la partícula (mayor peso para partículas alfa y núcleos pesados, neutrones, protones y finalmente fotones y electrones) y (2) la sensibilidad del órgano expuesto a las radiaciones ionizantes.
Algunos ejemplos de dosis de radiación.
La dosis normal debida a la radiactividad ambiente en la Tierra es de media 2.4 mSv por año, con diferencias apreciables entre países. A nivel del mar la contribución de los rayos cósmicos es de aproximadamente 0.3 mSv.
Las dosis de radiación recibidas durante una radiografía médica van desde 0.1 a varias decenas de mSv, dependiendo del tipo de radiografía.
La dosis típica recibida durante un vuelo transatlántico (Europa - América del Norte) debida a rayos cósmicos galácticos es de 0.05 mSv. Puede aumentarse significativamente en el caso de eventos de partículas energéticas (se han contabilizado aumentos de hasta un factor de 10 en el caso de eventos solares muy fuerte, pero estos eventos son muy poco frecuentes y tienen una duración muy corta como para influir en la dosis anual). A lo largo de los años, viajeros frecuentes o tripulaciones de cabina de vuelo pueden llegar a acumular dosis de unos pocos mSv.
Las compañías aéreas tiene ahora el requisito legal de comprobar que sus tripulaciones no reciben, al igual que cualquier otro trabajador, una dosis mayor de 100mSv cada 5 años, ni una dosis mayor a 50mSv anual. Las trabajadoras embarazadas no deben acumular más de 1 mSv hasta el final de su embarazo, ya que el feto está más expuesto y es más vulnerable.
La dosis máxima de radiación registrada por el MIR/Nausicaa, mostradas en el mapa de círculos anterior, es de 2 mSv/h.
Un vuelo espacial hasta Marte implica una dosis de radiación de 1 Sv atribuibles a los rayos cósmicos. Esta dosis no incluye la correspondiente a eventos solares, que pueden ser mucho mayores y constituir en el momento una seria amenaza para la vida si no se dispone de los escudos adecuados.
Hay que tener en cuenta el hecho de que Sievert consideraba el riesgo debido a exposiciones de bajo nivel de radiación (efectos estocásticos). No tiene sentido hablar de valores por encima de 1 Sv.
Modelado, vigilancia y predicción del flujo de partículas en la atmósfera de la Tierra.
###Programas de ordenador El análisis del complejo entorno espacial y su impacto en los sistemas espaciales llevó al desarrollo de modelos empíricos o cuasi-empíricos por parte de distintas organizaciones, generalmente independientes entre si. En lo que respecta a los rayos cósmicos, el más conocido y utilizado es el modelo CREME (Cosmic Ray Effects on Micro-Electronics, efecto de los rayos cósmicos en la microelectrónica), desarrollado por la NASA, al que se puede acceder también a través del Sistema de Información del Entorno Espacial (SPENVIS) desarrollado por la ESA. Ambos disponen de interfaces de usuario a través de internet.
Existe un modelo capaz de predecir el flujo de partículas de rayos cósmicos para todos los elementos de la tabla periódica, desde el Hidrógeno hasta el Uranio, y para energías comprendidas entre 1 y 10.000 MeV/nucleón. El espectro del flujo de energía se convierte a un espectro lineal de transferencia de energía (LET), que es parámetro crucial para conocer el nivel de peligros espaciales para la microelectrónica. También es un importante paso para calcular el número de SEUs.
La figura muestra un ejemplo de uso del interfaz del LET del programa SPENVIS para calcular el porcentaje de SEUs, para una nave espacial en órbita geoestacionaria, en el intervalo de tiempo comprendido entre el 14 y el 18 de julio de 2005. Se han considerado los siguientes casos: rayos cósmicos galácticos (GCR; M=1), el 90% del peor caso del nivel de rayos cósmicos (M=3), GCR componente anómala singular ionizada (M=4), llamarada solar normal y composición media (M=5), llamarada solar ordinaria y peor composición (M=6), 10% del peor caso de llamarada y composición media (M=7) y peor caso de llamarada solar y peor caso de composición (M=12).
Vigilancia y predicción del flujo de partículas utilizando monitores de neutrones.
Los monitores de neutrones son elementos clave en la vigilancia y predicción de radiación extraplanetaria:
Pueden proporcionar alertas útiles, con una antelación de minutos a decenas de minutos, sobre la llegada masiva de partículas de bajas energías (decenas a centenas de MeV), en las proximidades de la Tierra, si una red de monitores de neutrones proporcionara datos de alta resolución en tiempo real.
Los datos de los monitores de neutrones permiten calcular la radiación en el entorno espacial, así como a varias altitudes en la atmósfera. Estos proporcionan información clave acerca de cómo interacciona la radiación cósmica con el plasma y los campos magnéticos en la heliosfera, que pueden a su vez revelar la aproximación de perturbaciones interplanetarias. A diferencia de los satélites, los monitores de neutrones no se ven influidos por estos eventos.
Al igual que el personal de plantas de energía atómica, o de las instalaciones de rayos X de los hospitales, es necesario también vigilar la exposición a la radiación del personal de cabina (una directiva europea de 1996 que ha sido traducida a la legislación propia de cada país), Los monitores de neutrones proveen los datos básicos para el estudio de los incidentes causados por el flujo de rayos cósmicos, que pueden después ser traducidos a dosis de radiación mediante el uso de modelos empíricos.