El gran problema de los viajes espaciales

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Probablemente no soy el único que desde pequeño ha soñado con viajar a otros mundos lejanos. Descubrir nuevos planetas y visitar galaxias distantes siempre ha sido mi deseo oculto. No creo estar exagerando cuando digo que para la mayoría de la gente, la idea de asentamientos en la Luna y en Marte en un futuro no muy lejano parece algo obvio, algo que definitivamente sucederá.

Parece que nada puede detener los viajes espaciales en un futuro próximo. Pero antes de hacer las maletas y prepararnos para la aventura más loca de nuestras vidas, tenemos que lidiar con un hecho desagradable que todas las empresas y agencias espaciales parecen evadir. La verdad es que no está nada claro si los viajes prolongados en el espacio interplanetario e interestelar, así como los asentamientos permanentes en la Luna y el Marte, serán posibles. Es bastante probable que la humanidad colonice un solo planeta en toda su existencia: la Tierra.

Durante las últimas décadas, varias empresas han anunciado que pronto llevarán personas a diferentes mundos en el Sistema Solar. Por ejemplo, la corporación estadounidense SpaceX anunció en 2016 en el Congreso Astronáutico Internacional (IAC) en México que enviará dos misiones no tripuladas a Marte para 2022 con el objetivo de facilitar la llegada de los primeros astronautas al planeta rojo en 2024. Se supone incluso que a largo plazo SpaceX establecerá una colonia en Marte. La empresa holandesa Mars One anunció objetivos similares en 2012, y se esperaba que su tripulación llegase a Marte en 2024 o 2025, a pesar de no tener experiencia ninguna en viajes espaciales. En 2013 incluso realizaron un concurso para la selección de los astronautas que serían los primeros terrícolas en el Planeta Rojo. Y luego, la empresa quebró en 2019. La agencia espacial estadounidense NASA ha anunciado que enviará personas a la Luna en 2024 y que las experiencias y tecnologías nuevas desarrolladas durante este proyecto le permitirían conquistar Marte más tarde. Entre los retos destacados por la NASA son desarrollar los módulos de aterrizaje reutilizables y encontrar recursos como minerales y agua para ser usados por los futuros colonos.

Hay que decir que un viaje a Marte, que es el planeta más cercano a la Tierra en el que podemos aterrizar, llevaría bastante tiempo. Mars One mencionó un período de siete meses, lo cual es comparable con la duración de la estadía de los astronautas en la Estación Espacial Internacional. La NASA ha mencionado un período similar de nueve meses. Si a esto le sumamos el viaje de regreso y la estancia en Marte, esto significa que la misión completa podría durar dos años.

Figura 1: Espectro de energía de rayos cósmicos. Fuente: [8].

La razón del pesimismo relacionado con los viajes espaciales prolongados radica en el hecho de que el universo está impregnado de partículas de altas energías, a las que llamamos los rayos cósmicos. Es por esta radiación que la duración del viaje a través del espacio interplanetario no se puede comparar con la duración de una estancia en la Estación Espacial Internacional. Como veremos, los rayos cósmicos pueden dañar nuestros tejidos y provocar enfermedades graves en los astronautas, como el cáncer. La Tierra nos protege de la mayoría de estas partículas con su campo magnético y su atmósfera bastante densa. Por lo tanto, relativamente pocos rayos cósmicos alcanzan la superficie de nuestro planeta.

El escudo magnético de la Tierra se extiende desde la superficie de nuestro planeta hacia el espacio interplanetario y, a través de la interacción con el viento solar, forma una especie de cavidad alrededor de la Tierra, que llamamos magnetosfera. Incluso si estamos dentro de esta cavidad, este escudo se vuelve más débil cuanto más nos alejamos de la superficie terrestre. Si tomamos como ejemplo la Estación Espacial Internacional, podemos ver que su órbita se encuentra a una altitud de 400 km, lo cual está lo suficientemente cerca de la Tierra como para que su campo magnético proteja a los habitantes de la estación de los rayos cósmicos. Por otro lado, en su camino hacia Marte los astronautas no tendrían esta protección. Y no solo en camino a Marte. A diferencia de la Tierra, el Planeta Rojo no tiene su propio campo magnético global y su atmósfera es muy tenue. Esto significa que los astronautas en la superficie de este planeta estarían expuestos a la radiación cósmica casi de la misma manera que en el espacio interplanetario. Y este hecho puede arruinar nuestros planes para realizar estadías prolongadas en Marte.

Hay otra fuente fuente de riesgo para los astronautas. Son un tipo de partículas que se aceleran a altas energías cerca del Sol durante los eventos explosivos llamados ráfagas o en el espacio interplanetario enfrente de eyecciones de masa coronal. Sus energías máximas alcanzan hasta 10 millones de eV, que es menos que los rayos cósmicos, pero su aparición es bastante aleatoria y su intensidad es mucho mayor. Estas partículas causan dolores de cabeza a nuestros satélites artificiales durante las tormentas geomagnéticas. Los expertos llaman a la llegada de estas partículas Eventos de Partículas Solares (EPS).

Un poco sobre los rayos cósmicos

Primero, echemos un breve vistazo a lo que estamos hablando. Los rayos cósmicos son protones, núcleos de elementos más pesados y electrones que viajan por el espacio a velocidades cercanas a la velocidad de la luz. Esto significa que tienen enormes energías de entre 10¹⁰ y 10¹⁵ eV (ver también la Figura 1). Los más energéticos son los denominadas rayos cósmicos galácticos y extragalácticos, que se producen durante las explosiones de supernovas o en núcleos activos de galaxias. Se trata de partículas que, debido a su enorme energía, pueden penetrar hasta la superficie terrestre. Curiosamente, el flujo de rayos cósmicos galácticos que llegan a la Tierra fluctúa con el ciclo solar. Durante el máximo de actividad solar, ocurren muchas erupciones en el Sol que luego viajan a través del espacio interplanetario como eyecciones de masa coronal. Estas llevan consigo su propio campo magnético, que actúa como un escudo y refleja parte de los rayos cósmicos galácticos de vuelta al espacio interestelar. La anticorrelación entre la actividad solar y el flujo de rayos cósmicos galácticas se puede observar en la Figura 2.

Luego están los rayos cósmicos anómalos con energías entre 10⁷ y 10⁸ eV. Los científicos creen que la fuente de estas partículas son iones neutros provenientes del espacio interestelar que ingresan al Sistema Solar. Cuando se acercan lo suficiente al Sol, los rayos X y la luz ultravioleta extrema del Sol los ionizan. Luego, el viento solar las lleva hasta el mismo borde de la heliosfera, donde estas partículas se aceleran a altas energías. Algunas pueden entonces volver en el mismo centro del Sistema Solar.

El sol es la fuente de los llamados rayos cósmicos solares. Estos tienen energías entre 10⁷ y 10¹⁰ eV y lo más probable es que se formen en la capa más externa de la atmósfera solar, que llamamos la corona. Hacemos Hay que enfatizar en que estas no son las partículas que componen los EPS mencionados anteriormente.

Figura 2: Anticorrelación entre el flujo de partículas cósmicas galácticas (curva roja) y el número de manchas solares (curva azul). Las manchas solares son un indicador fiable de la actividad solar. Durante el máximo solar, su número aumenta considerablemente. Fuente: [9].

El impacto de los rayos cósmicos y EPS en la salud

Así llegamos a la esencia misma del problema: el impacto de los rayos cósmicos y EPS en la salud humana. Estas partículas tienen un efecto similar en nuestra salud que las emisiones por radiactividad, como diferentes síndromes agudos que pueden aparecer inmediatamente o poco tiempo después de la exposición a la radiación. Entre ellos se encuentran vómitos, fatiga, náuseas y enfermedades del sistema nervioso central. Los efectos crónicos sobre la salud pueden manifestarse años o décadas después de la exposición a la radiación y pueden incluir cáncer, cataratas, deterioro de la visión y enfermedades degenerativas del corazón.

Para comprender cuán peligroso es el espacio, primero debemos saber cómo se mide el riesgo de exposición a la radiación. La unidad utilizada para medir el efecto que la radiación tiene sobre el cuerpo humano se llama sievert (Sv), en honor al científico sueco Rolf Maximilian Sievert, quien estudió tales efectos. Un Sv se define como la dosis de radiación para la que existe una probabilidad del 5.5% de que la persona expuesta desarrolle cáncer.

En la naturaleza, la radiación radiactiva existe en todas partes, sin embargo las dosis son pequeñas. Los plátanos, por ejemplo, tienen mala reputación de ser radiactivos. Si consumes un plátano promedio, estarás expuesto a una dosis de 98 nanoSv, o 98 mil millonésimas de Sv. El control de seguridad en los aeropuertos internacionales puede proporcionarte 250 nanoSv, mientras que la radiografía dental nos expone a entre 5 y 10 microSv (1 microSv es una millonésima de Sv). Las tripulaciones de los aviones de pasajeros tienen un límite prescrito de dosis de 1.5 a 1.7 miliSv por año, mientras que una estancia de seis meses en la Estación Espacial Internacional significa una dosis de 80 a 150 miliSV. Las personas que estuvieron expuestas a la explosión de la bomba atómica en Hiroshima y que se encontraban a 1.2 km del centro de la explosión, recibieron una dosis de 5 Sv. En promedio, los humanos estamos expuestos a una dosis de 2.4 miliSv al año.

En el pasado, los científicos instalaron un dispositivo llamado Radiation Assessment Detector (RAD, ver también la Figura 3) en el rover Curiosity para medir la dosis de radiación que recibirían los humanos en el camino a Marte. Descubrieron que si el viaje de ida y vuelta a Marte tomara solo un año, los astronautas recibirían una dosis equivalente a 662 miliSv. Según las normas de la NASA, los astronautas no deben recibir una dosis superior a 1000 miliSv durante toda su carrera. Zeitlin y los colaboradores llegaron a conclusiones similares respecto a la dosis de radiación durante el viaje a Marte, que sería de 0.66 ± 0,12 Sv.

Figura 3: Dosis de radiación en miliSv en diferentes entornos. Fuente: [12].

En su artículo, el Dr. Jäkel advierte sobre el hecho de que el impacto de la exposición prolongada de la radiación sobre el cuerpo humano aún es relativamente desconocido y que la salud de los astronautas también puede verse afectada por las partículas energéticas liberadas durante las eyecciones de masa coronal. Estas erupciones son impredecibles, por lo que es difícil protegerse adecuadamente de las partículas que emiten. Sus estimaciones de las dosis de radiación que recibirían los astronautas son 0.28 Sv durante un viaje de un año a Marte y más de 0.18 Sv durante una estancia de 1.5 años en Marte durante el máximo solar. Las estimaciones para el mínimo solar son aún más altas: 0.73, y 0.41 Sv. El autor concluye el artículo diciendo que una misión de 3 años a Marte significaría un 4% de riesgo de desarrollar un cáncer mortal e incluso un 10% de riesgo de desarrollar cáncer a lo largo de la vida. A esto le podemos añadir el 20% de probabilidad de que nos enfermemos y muramos de cáncer, aunque nunca abandonemos la Tierra.

Con esto, apenas estamos hablando sobre viajar hacia el planeta más cercano a la Tierra. Los viajes que durarían varios años o incluso décadas, como los de Star Trek, supondrían un riesgo aún mayor para los viajeros.

Esperanza

Varias agencias espaciales están investigando cómo proteger a los pasajeros durante viajes espaciales de larga duración. Las protecciones propuestas son de dos tipos: protección pasiva y protección activa.

Protección pasiva implica el uso de ciertos materiales para la construcción de naves espaciales, que absorberían la energía de los rayos cósmicos de la mayor manera posible. Actualmente, los astronautas están separados del ambiente exterior por una pared de aluminio, del cual están hechas las naves espaciales. El aluminio puede empeorar la exposición a la radiación. Cuando las partículas con energías muy altas «golpean» a una nave espacial, pueden convertirse en una multitud de partículas secundarias, cada una con energía menor a la del rayo cósmico original, pero aún lo suficientemente alta como para dañar nuestros tejidos. Debido a que las partículas secundarias se dispersan sobre un área mucho más grande, los astronautas pueden recibir dosis de radiación mayores que las que recibirían de la partícula original. La NASA está estudiando materiales como los plásticos con alto contenido de hidrógeno, agua e hidrógeno líquido que podrían remediar este peligro.

Existen también otras propuestas mucho más radicales que sugieren que los asteroides pequeños podrían ser desviados a adoptar órbitas adecuadas para que las naves espaciales puedan «esconderse» en sus cráteres o incluso en túneles perforados en sus superficies. De este modo, las naves espaciales serían transportadas hacia Marte por estos mismos asteroides, que al mismo tiempo las protegerían de los rayos cósmicos.

Por otro lado, el blindaje activo implica crear un campo magnético alrededor de las naves espaciales que entonces repelería los rayos cósmicos. Este campo magnético tendría que ser lo suficientemente fuerte, lo que requeriría muchísima energía.

Cabe destacar que la protección pasiva está lejos de ofrecer una solución adecuada, ya que no elimina suficiente radiación. Por otro lado, actualmente no tenemos la tecnología para la protección activa. Los aventureros que se embarquen en viajes espaciales en un futuro cercano tendrán que aceptar los riesgos que estos traerán. Lo más probable es que viajes similares se limiten primero a estancias cortas en las órbitas terrestres, especialmente para los llamados turistas espaciales. Los valientes exploradores de rincones del universo aún inexplorados tendrán que esperar la llegada de las nuevas tecnologías.

Literatura

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13. Jäkel, O., (2004), Radiation hazard during a manned mission to Mars, Zeitschrift für Medizinische Physik, Volume 14, Issue 4, Pages 267-272, ISSN 0939-3889, http://www.sciencedirect.com/science/articl e/pii/S0939388915700097
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17. Narici et al., Chapter 17 – Solar Particle Events and Human Deep Space Exploration: Measurements and Considerations, Editor(s): Natalia Buzulukova, Extreme Events in Geospace, Elsevier, 2018, Pages 433-451, ISBN 9780128127001, https://doi.org/10.1016/B978-0-12-812700- 1.00017-0.
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