El proyecto Openred tiene como principal objetivo el crear una red de medición de radiación gamma ambiental. En muchos protocolos sobre medición de radiación gamma se marca como uno de los requisitos realizar la medición colocando el detector a un metro sobre el nivel del suelo. Pero ¿cómo afectaría la radiación a medida que ganamos altitud? ¿ Qué fenómenos pueden observarse al realizar medidas en altitudes mayores hasta alcanzar la estratosfera?.
Medición de radiación gamma en la estratosfera.
Introducción. Fundación Ibercivis-Servet.
La Fundación ibercivis participa en multitud de proyectos científicos. Uno de ellos es el proyecto Servet el cual, en Abril de 2024, llegó a su décima edición. Se trata de un proyecto científico en el que se desarrollan experimentos cercanos al espacio lanzados mediante globos sonda a la estratosfera. Está dirigido a ciudadanos y centros educativos de todo el país.
En el caso de centros educativos, durante el curso académico diferentes equipos de cada centro desarrollan una propuesta científica, la cual será enviada a la estratosfera mediante un globo sonda. Este tipo de lanzamientos permite de una forma rentable llegar a altitudes de hasta 40.000 metros. Diariamente se lanzan multitud de globos de este tipo a la estratosfera ( como ejemplo podemos consultar la web: https://sondehub.org/ ).
Los globos sonda son utilizados por multitud de agencias e instituciones como solución para vuelos estratosféricos. Por ejemplo, la Agencia Estatal de Meteorología (AEMET) lanza diariamente globos para la realización de sondeos meteorológicos. La NASA también utiliza esta tecnología aunque llevada a un nivel superior, pudiendo alcanzar tiempos de vuelo de más de 100 días o poder sustentar hasta cerca de 3.000 kg de peso según la configuración.
Google también estudió el uso de globos sonda en el proyecto Loon para dar cobertura de internet en todo el mundo (aunque finalmente se desestimó el proyecto por el coste económico para su lanzamiento).
Funcionamiento del globo.
Para entender el funcionamiento del vuelo hay que conocer las capas de la atmósfera que va a atravesar el globo sonda. El fundamento físico del vuelo se basa en la diferencia de densidades entre el helio contenido en el globo sonda y el aire que le rodea, lo cual genera un empuje debido al principio de flotabilidad. Recordemos que el principio de flotabilidad o principio de Arquímedes establece que un cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido (líquido o gas) experimenta una fuerza hacia arriba, llamada fuerza de flotación, que es igual al peso del fluido desplazado por el cuerpo.
A medida que este globo asciende, la presión exterior va disminuyendo, lo que hace que el globo se expanda hasta que explota una vez superado el límite de elasticidad. En el caso del globo utilizado en Servet X se alcanzaron los 32.000 metros de altura. Al explotar se abre el paracaídas que permite un descenso rápido pero amortiguado. El globo incorpora un dispositivo de geolocalización que permite registrar su trayectoria y localizar el lugar aproximado de aterrizaje de las cápsulas. Podréis encontrar más información en la web del proyecto Servet.
Edición X de Servet (Cápsula Openred)
La edición décima del proyecto Servet llevó su lanzamiento a la localidad de Calamocha (Teruel). La localidad es escogida , además de por motivos logísticos (zona de lanzamiento, permisos, transporte,…), según las condiciones meteorológicas. Estas deben permitir, además del lanzamiento, que la trayectoria de vuelo del globo permita su paso por zonas con permiso de vuelo y que faciliten, tras la explosión del globo, la recogida de las cápsulas científicas que este transportaba.
El 27 de abril de 2024, se lanzaron desde el recinto ferial de Calamocha dos globos sonda con un intervalo de 15 minutos entre ambos. Estos globos transportaron 15 experimentos diseñados por estudiantes de los centros educativos participantes, además de una cápsula correspondiente al proyecto Openred, desarrollado por la Fundación Ibercivis. Durante su vuelo, ambos globos recorrieron aproximadamente 120 km, desde el punto de lanzamiento hasta la Sierra de Alcubierre. La travesía, que duró alrededor de una hora y media, alcanzó los 32.000 metros de altitud antes de que los globos se rompieran. Posteriormente, los dispositivos de los experimentos descendieron y fueron recuperados con éxito.
https://servet.ibercivis.es/2024/04/29/servet-conquista-estratosfera-32000-metros-altura-ciencia-ciudadana/
Video Servet lanzamiento:
https://servet.ibercivis.es/wp-content/uploads/sites/4/2024/04/b1beb24f-6ad2-4676-b199-29aae003bd3c.mov
Cápsula Servet X-Openred.
Desde Openred, quisimos aprovechar el lanzamiento para enviar uno de los dispositivos que se están analizando para incorporarlo en futuras misiones del proyecto. Es conocido que la radiación gamma ambiental es una de las principales fuentes de radiación ionizante en gran parte por los elementos radiactivos naturales presentes en la corteza terrestre y, en menor medida, por los rayos cósmicos. De modo que la radiación ionizante se incrementa a medida que aumentamos en altitud en las primeras capas de la atmósfera. Esto se debe principalmente a los rayos cósmicos, cuyo efecto es mayor conforme ascendemos del nivel del mar de la tierra.
Los rayos cósmicos son, principalmente, protones y núcleos de helio de energía extremadamente elevada, que se producen en nuestra Vía Láctea y en el resto de las galaxias. Los modos de producción no están totalmente explicados y los más conocidos están asociados a supernovas y agujeros negros. El Sol emite también intensos haces de partículas, aunque de menor energía. Aunque se llamen rayos por su concepción original[1], realmente son partículas. Estos al tener contacto con la atmósfera e interactuar con los átomos de esta reaccionan en cascada generando nuevas partículas de radiación ionizante incluyendo radiación gamma. En la figura 5 se aprecia cómo se generan diferentes cascadas de partículas y radiación electromagnética a partir del rayo cósmico primario.
Los rayos cósmicos, partículas de alta energía provenientes del espacio, interactúan con las moléculas de la atmósfera terrestre a medida que ingresan al planeta. Estas interacciones, que ocurren principalmente en las capas superiores de la atmósfera, entre los 15.000 y 20.000 metros de altitud, generan partículas secundarias y reducen progresivamente la energía de la radiación original. Este proceso asegura que los rayos cósmicos no representen un peligro significativo para los seres humanos a nivel del suelo, gracias a la protección conjunta de la atmósfera, que actúa como un escudo físico, y el campo magnético terrestre, que desvía las partículas cargadas de menor energía.
Sin embargo, en las regiones polares, donde el campo magnético es menos efectivo debido a la configuración de las líneas magnéticas, la radiación cósmica es más intensa. A mayores altitudes, fuera de la protección atmosférica, los rayos cósmicos pueden afectar sistemas de navegación y comunicación y representar un riesgo para la salud de los astronautas, quienes están expuestos a niveles significativamente más altos de radiación durante sus misiones en el espacio. Este fenómeno resalta la importancia de la atmósfera y el campo magnético como elementos fundamentales para preservar la vida en la Tierra.
Dependiendo de la procedencia, la composición de los rayos cósmicos varía. Siendo en el caso de su origen galáctico mayoritariamente partículas altamente energéticas (0.1 – 106 GeV) en forma de protones , en menor medida núcleos de helio y otros núcleos pesados. Mientras que cuando el origen es solar estos serán de menor energía(< 0.1GeV).
La radiación cósmica afecta a los seres humanos porque constituye una forma de radiación ionizante, capaz de interactuar con las moléculas del cuerpo y causar daño celular en dosis altas. Sin embargo, también tiene aplicaciones en diversos campos científico-tecnológicos. Por ejemplo, la interacción de la radiación cósmica con el nitrógeno-14 en la atmósfera genera carbono-14, un isótopo utilizado en la datación radiocarbónica para determinar el tiempo transcurrido desde la muerte de un organismo, mediante el análisis de la desintegración del carbono-14 absorbido durante su vida.
En contraste, en otros experimentos científicos, se busca minimizar al máximo la interacción de los rayos cósmicos para evitar interferencias. Esto se logra instalando los experimentos en laboratorios subterráneos, como el Laboratorio Subterráneo de Canfranc (LSC), donde las capas de roca actúan como un escudo natural contra la radiación cósmica, permitiendo la realización de investigaciones altamente sensibles, como en el campo de la física de partículas o la detección de materia oscura.
Por estas razones, optamos por un dispositivo capaz de medir, de alguna forma, la radiación producida por los rayos cósmicos. Aunque sabíamos que la radiación generada por otras partículas, como los neutrinos, no podría ser detectada con los dispositivos evaluados en el proyecto Openred, esperábamos observar un aumento en los niveles de radiación cósmica a medida que ascendíamos a capas más altas de la atmósfera. Además, dado que los dispositivos seleccionados para el lanzamiento tenían restricciones de peso y no incluían GPS (sin necesidad de incorporar dispositivos adicionales como un teléfono móvil), utilizamos otras cápsulas del proyecto equipadas con módulos específicos para medir la altitud con precisión y complementar los datos recogidos.
Considerando la posibilidad de detección, el rango espectral, el peso y el tamaño, seleccionamos el dispositivo Radiacode 102 para este estudio. Este equipo utiliza un cristal centelleador acoplado a un fotomultiplicador, lo que le permite detectar y registrar radiación gamma y rayos X en su entorno. Si deseas profundizar en las distintas tecnologías de medición utilizadas, te invitamos a visitar nuestro artículo dedicado a este tema.
Aunque estos dispositivos no están diseñados específicamente para medir la radiación cósmica debido a su rango energético de trabajo, sí pueden ser utilizados para evaluar su desempeño en condiciones extremas, como niveles elevados de radiación cósmica y temperaturas muy bajas. Durante el experimento, se espera que la temperatura dentro de la cápsula descienda a menos de -20°C, lo que permitirá verificar y certificar el correcto funcionamiento de los dispositivos bajo estas condiciones adversas.
Estudiar la radiación cósmica en función de la altitud es crucial para comprender la exposición a radiación ionizante durante vuelos comerciales. De hecho, la normativa [3] regula el tiempo de exposición del personal de tripulación según la dosis absorbida, ya que pueden estar expuestos a fenómenos variables como tormentas solares o llamaradas solares, que incrementan significativamente los niveles de radiación ionizante. Dado que la mayoría de los vuelos operan entre 10.000 y 15.000 metros de altitud, experimentos como este, dentro de estudios más amplios que incluyan diversas condiciones de altitud, latitud y fenómenos esporádicos, permiten registrar valores representativos dentro de ese rango de operación.
Resultados.
El dispositivo Radiacode 102 puede trabajar conectado por bluetooth a dispositivo móvil, en el que se vuelcan en este los datos registrados. También puede almacenar en memoria interna los valores, para tratarlos posteriormente con un software específico. En nuestro caso los datos fueron registrados en el dispositivo enviado a las estratosfera para posteriormente ser tratados en el ordenador (versión Radiacode 1.12.00).
La figura 8 muestra una gráfica con los datos de dosis de radiación detectada por el dispositivo Radiacode 102 en el lanzamiento en función de la altitud del globo que lo transporta.
Como podemos apreciar en la gráfica a medida que vamos ganando altura se produce un aumento de la dosis detectada. Alcanzando el máximo (1.320 nSv/h) en torno a los 15.000 metros de altitud, a partir de entonces disminuye la dosis mientras el globo sigue subiendo.. Una vez que explota el globo a 32.000 metros de altitud y comienza el descenso de los monitores, se aprecia el paso de nuevo por el mismo máximo a la misma altura de 15.000 metros y posterior descenso de los valores de dosis hasta su llegada a la tierra. Siendo en el caso del descenso una pendiente más fuerte, al producirse este a mayor velocidad que el ascenso. Además de estos datos también obtuvimos otros valores relacionados con carga de la batería, temperatura del dispositivo, tolerancias de medición.. que nos permiten valorar las medidas como fiables según funcionamiento del dispositivo.
Conclusiones.
Hemos podido observar que se produce un aumento de la dosis hasta una altitud en torno a los 15.000 metros sobre el nivel del mar. Este fenómeno es conocido como “Máximo de Regener-Pfotzer” . A partir de la cual se produce un valle que vuelve a remontar cuando se produce el descenso de la cápsula. Aunque nuestras expectativas podrían ser que el valor máximo de dosis se produjera en las altitudes más altas que alcanzara el globo sonda, este se produce antes de llegar a los 20.000 metros de altitud. Este fenómeno fue inicialmente identificado por Erich Regener y George Pfotzer y publicado en 1935 [4].
Utilizando igualmente el lanzamiento de globos sonda y comprobando que los rayos cósmicos, al golpear la atmósfera y producir una cascada de partículas secundarias, producen su máximo valor de dosis de radiación entorno a las altitudes de 15.000 y 20.000 metros (al producirse estas cascadas por debajo de los 20.000 metros de altitud). Por lo que, por encima de estas cotas, aún no se ha desarrollado el proceso en toda su extensión y a medida que nos acercamos a la tierra va degradándose energéticamente esta radiación.
También comprobamos con los valores del experimento mostrado en la figura 9 ,y con otras fuentes consultadas (como las medidas de vuelo del proyecto Openradiation), que el dispositivo Radiacode 102 registra valores más bajos de radiación que con otros dispositivos que utilizan tecnología de tubo de Geiger-Müller. Por ello, quisimos registrar valores de radiación ionizante en vuelos comerciales con otros modelos diferentes al dispositivo Radiacode 102. Entre los dispositivos que actualmente testeamos en Openred, decidimos seleccionar el dispositivo GMC-500+ de GQ Electronics. En un vuelo comercial entre el aeropuerto de Tenerife Norte y el aeropuerto de Zaragoza realizamos las mediciones. Obteniendo los siguientes resultados:
En la figura 12 mostramos la tabla de los principales valores del detector GMC-500+
Se pueden observar diferentes valores entre uno y otro dispositivo, pudiendo comprobar la importancia que tiene en un análisis científico el uso adecuado del dispositivo de medición y su incidencia en los resultados. En un próximo post intentaremos ofrecer más resultados sobre estas mediciones con más dispositivos de medición. Realizaremos mediciones tanto en vuelo, como en tierra a latitudes cercanas al polo norte e intentaremos tener la oportunidad de captar una aurora boreal 🌌 ¿ Afectarán estas a nuestros dispositivos? ¿Cómo interacciona la radiación ionizante con la magnetosfera?
Bibliografía:
[1] Robert Andrews Millikan,High Frequency Rays of Cosmic Origin.Science 62,445-448(1925).DOI:10.1126/science.62.1612.445
[2] https://news.uchicago.edu/explainer/what-is-carbon-14-dating
[3] Ignacio Calavia, Isabel Villanueva. EXPOSICIÓN A LA RADIACIÓN CÓSMICA
DEL PERSONAL DE TRIPULACIÓN DE AERONAVES. ALFA 58, 38–45 (2024). https://www.csn.es/documents/10182/13557/Alfa+58/ab4bbfb8-5976-c208-adae-46acc48a2960?version=1.0
[4] REGENER, E., PFOTZER, G. Vertical Intensity of Cosmic Rays by Threefold Coincidences in the Stratosphere. Nature 136, 718–719 (1935). https://doi.org/10.1038/136718a0
Otras páginas consultadas:
https://www.csn.es/radiacion-gamma-ambiental
https://news.uchicago.edu/explainer/what-are-cosmic-rays
https://science.nasa.gov/earth/earth-atmosphere/earths-atmosphere-a-multi-layered-cake
https://siradiacion.com.mx/catalogo/polimaster-pm-1621-m-con-detector-interno-integrado/
https://es.flightaware.com/live/flight/IBB5458/history/20241115/0855Z/GCXO/LEZG/tracklog