Resolviendo el enigma de la degradación de los detectores de luz solar

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Hace más de 150 años, el Sol hizo estallar la Tierra con una enorme nube de partículas cargadas calientes. Esta mancha de plasma generó una tormenta magnética en la Tierra que provocó que se escaparan chispas de los equipos telegráficos e incluso provocó algunos incendios. Ahora llamado Evento Carrington, en honor a uno de los astrónomos que lo observó, una tormenta magnética como esta podría repetirse en cualquier momento, solo que ahora afectaría más que los telégrafos: podría dañar o causar interrupciones en las redes de telefonía inalámbrica, sistemas GPS, redes eléctricas, equipos médicos que salvan vidas y más.

Los satélites que miran hacia el sol monitorean la luz ultravioleta (UV) del Sol para advertirnos antes de las tormentas solares, tanto las grandes que podrían causar un evento similar a Carrington, como las perturbaciones más pequeñas y comunes que pueden interrumpir temporalmente las comunicaciones. Un elemento clave del equipo utilizado en estos detectores es un pequeño filtro de metal que bloquea todo menos la señal ultravioleta que los investigadores necesitan ver.

Pero durante décadas ha habido un gran problema: en el transcurso de solo uno o dos años, estos filtros pierden misteriosamente su capacidad de transmitir luz ultravioleta, “nublando” y obligando a los astrónomos a lanzar costosas misiones anuales de recalibración. Estas misiones implican enviar un instrumento recién calibrado al espacio para hacer sus propias observaciones independientes de la luz solar para comparar.

Una de las principales teorías era que los filtros estaban desarrollando una capa de carbono, cuya fuente son los contaminantes de la nave espacial, que bloquean la entrada de luz ultravioleta. Ahora, los científicos y colaboradores del NIST en el Laboratorio de Física Atmosférica y Espacial (LASP) de Boulder, Colorado, han encontrado la primera evidencia que indica que el problema no es la carbonización y debe ser otra cosa, como otro posible polizón de la tierra. Los investigadores describen su trabajo en Física solar hoy dia.

“Hasta donde yo sé, es el primer argumento cuantitativo realmente sólido contra la carbonización como la causa de la degradación del filtro”, dijo el físico del NIST Charles Tarrio.

¿Para qué son? Absolutamente todo

La mayor parte de la luz producida por el Sol es visible y comprende el arco iris de colores desde el rojo (con una longitud de onda de aproximadamente 750 nanómetros) hasta el violeta (con una longitud de onda de aproximadamente 400 nm). Pero el Sol también produce luz con longitudes de onda demasiado largas o cortas para ser vistas por el ojo humano. Uno de esos rangos es el ultravioleta extremo (EUV), que se extiende desde 100 nm hasta solo 10 nm.

Solo alrededor de una décima parte de la luz solar está en el rango EUV. Esa pequeña señal EUV es extremadamente útil porque aumenta en conjunto con las erupciones solares. Estas erupciones en la superficie del Sol pueden causar cambios en la atmósfera superior de la Tierra que interrumpen las comunicaciones o interfieren con las lecturas del GPS, haciendo que su teléfono piense de repente que está a 12 metros de su ubicación real.

Los satélites que miden las señales de EUV ayudan a los científicos a monitorear estas erupciones solares. Pero las señales de EUV también les dan a los científicos horas o incluso días de anticipación a la advertencia de fenómenos más destructivos como las eyecciones de masa coronal (CME), el fenómeno responsable del evento de Carrington. Las CME futuras podrían sobrecargar nuestras líneas eléctricas o aumentar la exposición a la radiación para la tripulación de la aerolínea y los pasajeros que viajan a ciertos lugares.

Y hoy en día, los satélites hacen más que solo darnos advertencias, dijo Frank Eparvier, investigador principal de LASP, colaborador del trabajo en curso.

“En las últimas décadas hemos pasado de simplemente enviar advertencias que indican que los cohetes fueron capaces de corregir la variabilidad solar debido a cohetes y CME”, dijo Eparvier. “Saber en tiempo real cuánto está cambiando la radiación ultravioleta solar permite que funcionen los modelos informáticos de la atmósfera, que luego pueden producir correcciones para las unidades GPS para minimizar los impactos de esa variabilidad”.

El misterio de los filtros de nubes

Dos metales son particularmente útiles para filtrar las enormes cantidades de luz visible para pasar esa pequeña pero importante señal EUV. Los filtros de aluminio transmiten luz EUV entre 17 nm y 80 nm. Los filtros de circonio transmiten luz EUV entre 6 nm y 20 nm.

Si bien estos filtros comienzan su vida transmitiendo mucha luz EUV en sus respectivos rangos, los filtros de aluminio, en particular, pierden rápidamente sus capacidades de transmisión. Un filtro podría comenzar permitiendo el 50% de la luz EUV a 30 nm a través del detector. Pero en solo un año solo transmite el 25% de esta luz. En cinco años, ese número se redujo al 10%.

“Es un problema importante”, dijo Tarrio. Menos luz transmitida significa menos datos disponibles, un poco como intentar leer en una habitación con poca luz y gafas de sol oscuras.

Los científicos saben desde hace mucho tiempo que los depósitos de carbono pueden acumularse en los instrumentos cuando se exponen a la luz ultravioleta. Las fuentes de carbono en los satélites pueden ser cualquier cosa, desde huellas dactilares hasta los materiales utilizados en la construcción de la propia nave espacial. En el caso de los filtros UV misteriosamente nublados, los investigadores pensaron que el carbono podría haberse depositado sobre ellos, absorbiendo la luz EUV que de otro modo habría pasado.

Sin embargo, desde la década de 1980, los astrónomos han diseñado cuidadosamente las naves espaciales para que sean lo más libres de carbono posible. Y ese trabajo les ayudó con otros problemas de carbonización. Pero no ayudó con el problema del filtro EUV de aluminio. Sin embargo, la comunidad todavía sospechaba que la carbonización era al menos en parte responsable de la degradación.

Crea tu clima espacial

Para probarlo en un entorno controlado, los investigadores y colaboradores del NIST utilizaron una máquina que les permite crear eficazmente su propio clima espacial.

La herramienta es la Instalación de Radiación Ultravioleta Sincrotrón (SURF) del NIST, un acelerador de partículas del tamaño de una habitación que utiliza potentes imanes para mover electrones en un círculo. El movimiento genera luz EUV, que se puede desviar a través de espejos especializados para alcanzar objetivos, en este caso filtros de satélite de aluminio y circonio.

Cada filtro era de 6 mm por 18 mm, más pequeño que un sello postal y solo 250 nm de grosor, aproximadamente 400 veces más delgado que un cabello humano. Los filtros de muestra eran en realidad un poco más gruesos que los filtros de satélite reales, con otras modificaciones menores diseñadas para evitar que el rayo SURF literalmente quemara agujeros en los metales. Durante una ejecución, la parte posterior de cada filtro se expuso a una fuente de carbono controlada.

Para acelerar el proceso de prueba, el equipo explotó los filtros con el equivalente a cinco años de espacio-tiempo en una o dos horas. Por cierto, conseguir ese tipo de potencia de haz no fue un problema para SURF.

“Reducimos el SURF a aproximadamente el medio por ciento de su potencia normal para exponer los filtros a una cantidad razonable de luz”, dijo Tarrio. “Los satélites están a 92 millones de millas del Sol y, para empezar, el Sol no emite una gran cantidad de EUV”.

Finalmente, después de la exposición, los investigadores probaron cada filtro para ver cuánta luz EUV en el rango de longitud de onda correcto podía atravesar.

El equipo descubrió que la transmisión no era significativamente diferente después de la exposición que antes de la exposición, tanto para el aluminio como para el circonio. De hecho, la diferencia de transmisión fue solo una fracción del uno por ciento, no suficiente para explicar el tipo de nubosidad que ocurre en los satélites espaciales reales.

“Buscábamos una disminución del 30% en la transmisión”, dijo Tarrio. “Y no lo hemos visto”.

Como prueba adicional, los científicos suministraron a los filtros dosis de luz aún mayores, el equivalente a 50 años de radiación ultravioleta. E incluso eso no produjo muchos problemas de transmisión de luz, lo que provocó que solo crecieran 3 nm de carbono en los filtros, 10 veces menos de lo que los investigadores hubieran esperado si el carbono fuera el responsable.

Entonces, si no es carbono …

El verdadero culpable aún no ha sido identificado, pero los investigadores ya tienen un sospechoso diferente en mente: el agua.

Como la mayoría de los metales, el aluminio naturalmente tiene una capa delgada en su superficie de un material llamado óxido, que se forma cuando el aluminio se une al oxígeno. Todo, desde el papel de aluminio hasta las latas de refresco, tiene esta capa de óxido, que es químicamente idéntica al zafiro.

En el mecanismo propuesto, la luz EUV extraería los átomos de aluminio del filtro y los depositaría en el exterior del filtro, que ya tiene esa fina capa de óxido. Los átomos expuestos reaccionarían entonces con el oxígeno del agua de la Tierra que se enganchó a la nave espacial. Juntos, el aluminio y el agua expuestos reaccionarían para formar una capa de óxido mucho más gruesa, que teóricamente podría absorber la luz.

Otros experimentos SURF programados para finales de año deberían responder a la pregunta de si el problema es realmente el agua o alguna otra cosa. “Esta sería la primera vez que la gente observa la deposición de óxido de aluminio en este contexto”, dijo Tarrio. “Lo estamos estudiando como una posibilidad seria”.

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