Los imanes permanentes podrían proteger a los astronautas de las tormentas solares sin electricidad ni criogenia
Imagen destacada: Concepto artístico de una nave Orion con un campo magnético protector. Crédito: NASA
El blindaje contra la radiación es el mayor problema no resuelto para enviar humanos a Marte. Las opciones actuales se dividen en dos categorías, ambas con inconvenientes graves: el blindaje pasivo (agua, polietileno, aluminio) requiere masas prohibitivas que la ecuación del cohete penaliza, mientras que los imanes superconductores activos necesitan enfriamiento criogénico continuo y suministro constante de electricidad, introduciendo un riesgo de punto único de fallo para un sistema que nunca debe fallar durante una tormenta solar.
Un equipo de investigadores italianos y alemanes ha publicado una evaluación preliminar de un tercer camino: matrices de imanes permanentes de neodimio que no requieren electricidad, ni enfriamiento, y no tienen partes móviles. El estudio, publicado el 30 de junio en la revista Aerospace, demuestra que una matriz de 1 metro cuadrado de 1.482 imanes de neodimio-hierro-boro (NdFeB), cada uno de 3 centímetros cúbicos y con un total de menos de 300 kilogramos, puede desviar aproximadamente el 20% de los protones entrantes en el rango de energía de 0,1 a 10 MeV, la parte más peligrosa de un evento de partículas solares.
“Un escudo magnético diseñado para proteger una sonda espacial de la radiación cósmica mediante desviación magnética usando imanes permanentes de neodimio”, como lo describen el autor principal Valerio Parisi de la Universidad Sapienza de Roma y sus colegas, actúa como un filtro de paso alto para partículas cargadas. Los protones de baja energía, los que administran la dosis localizada más alta al tejido biológico, son desviados. Las partículas de mayor energía, los rayos cósmicos galácticos en el rango de GeV, atraviesan en gran medida sin verse afectadas.
Esa limitación hace que el sistema no sea adecuado como escudo principal contra los RCG, que son continuos, omnidireccionales y transportan energías que requerirían campos impracticablemente fuertes para desviarlos. Pero para los eventos de partículas solares, que son direccionales, esporádicos y conllevan el riesgo de enfermedad aguda por radiación, una pantalla de imanes permanentes ofrece una póliza de seguro ligera.
El enfoque híbrido
Los investigadores posicionan explícitamente la matriz de imanes permanentes como un sistema suplementario en una estrategia de mitigación de radiación de múltiples capas. El blindaje pasivo maneja la radiación de fondo omnidireccional. Los imanes permanentes manejan las ráfagas ocasionales de protones solares a una fracción del costo de masa del blindaje pasivo equivalente. Los imanes superconductores activos, si y cuando alcanzan suficiente madurez tecnológica, podrían eventualmente proporcionar protección de espectro completo.
El ahorro de masa es el punto de venta. El blindaje pasivo equivalente para el mismo nivel de protección contra protones solares probablemente requeriría varias toneladas métricas de polietileno o agua, una penalización de masa que se propaga a través de cada etapa de la ecuación del cohete. Una matriz de imanes permanentes de menos de 300 kilogramos es barata de lanzar y no requiere gastos operativos.
“Incluso algo de protección es mejor que nada, y bien podría haber un lugar para los imanes permanentes en un sistema híbrido que combine las tres técnicas de mitigación de radiación”, señalan los autores.
Limitaciones que resolver
El estudio es una evaluación preliminar, y los autores son sinceros acerca de sus limitaciones. El prototipo probó un haz de protones colimado en una dirección, imitando un evento de partículas solares pero no el entorno multidireccional de espectro mixto del espacio profundo real. Los rayos cósmicos galácticos, que contribuyen a la mayoría del riesgo de cáncer a largo plazo en una misión a Marte, no son abordados por este enfoque.
La cuestión de la radiación secundaria tampoco está resuelta. Los protones que golpean el material magnético mismo podrían producir neutrones secundarios y rayos gamma, aumentando potencialmente la dosis de radiación local en ciertas ubicaciones dentro de la nave espacial. Protegerse contra el escudo, por así decirlo, podría reducir el ahorro de masa.
Y luego está la desmagnetización. Los imanes de NdFeB expuestos a la radiación espacial se degradan con el tiempo. La investigación indica que algunos grados pierden la mitad de su fuerza magnética a aproximadamente 4 millones de rad de exposición a protones y se desmagnetizan completamente alrededor de los 70 millones de rad. Los imanes de samario-cobalto (SmCo) ofrecen de dos a cuarenta veces mejor resistencia a la radiación, pero son más caros y producen campos ligeramente más débiles. El equipo señala que se deben evaluar químicas de imanes alternativas en trabajos de seguimiento.
El camino por delante
Los próximos pasos implican simulaciones avanzadas de Monte Carlo en entornos de radiación multidireccionales realistas, que representen espectros reales de eventos de partículas solares y espectros de rayos cósmicos galácticos. Más allá de eso, el equipo envisióna experimentos de validación a escala CubeSat que podrían probar el concepto en órbita a un costo relativamente bajo.
El artículo se suma a un resurgimiento más amplio del interés en el blindaje magnético para misiones de espacio profundo. El programa MAARSS (Magnet Architectures and Active Radiation Shielding Study) de la NASA ha estado investigando diseños de grandes bobinas superconductoras con una intensidad de campo de 1 Tesla y bobinas expandibles de 16 metros de diámetro. Esos conceptos apuntan a una protección de espectro completo pero requieren enfriamiento criogénico a aproximadamente 70 Kelvin y conllevan el riesgo de punto único de fallo que una matriz de imanes permanentes evita.
Para que una solución de imanes permanentes sea viable para una misión a Marte, la investigación debe pasar del modelado analítico y prototipos de laboratorio a la demostración en el entorno de radiación relevante. La propuesta del equipo para una misión CubeSat es el siguiente paso lógico. Si funciona, los imanes permanentes podrían convertirse en una capa de un sistema de defensa híbrido contra la radiación, silencioso, pasivo y siempre activo, que no requiere nada de la tripulación excepto estar allí cuando llegue una tormenta solar.