Protección preventiva frente a tormentas eléctricas durante el lanzamiento de vehículos espaciales

Los satélites son indispensables en la vida moderna para distintas funciones (predicción meteorológica, exploración científica, comunicaciones a larga distancia, etc.). Los vehículos que colocan los satélites en órbita son sensibles a las amenazas de rayos naturales y los inducidos por el propio cohete. Por eso, la NASA desarrolló el conjunto de reglas LLCC para evaluar si las condiciones meteorológicas permiten los lanzamientos. Desde su aplicación no han vuelto a ocurrir incidentes como los del Apolo 12 y Atlas-Centaur 67. Dentro de estos criterios ocupa un lugar destacado el campo eléctrico ambiental que, en el Kennedy Space Center, se mide mediante una red de molinos de campo (sensores de campo electrostático).

La actividad de lanzamiento de satélites y de misiones de exploración espacial está en continuo crecimiento. Los satélites de comunicación son indispensables para la vida moderna y suponen una inversión multimillonaria. Los satélites se ponen en órbita por medio de vehículos de lanzamiento específicamente diseñados. Estos suelen ser cohetes con sistemas de control y guiado¹.

Por otra parte, la exploración espacial es un área de creciente relevancia por razones tecnológicas, científicas, y, de forma frecuente, también políticas. Como resultado, la demanda de instalaciones y programas de lanzamiento continúa aumentando, siendo una propuesta lucrativa de negocio¹.

Las inclemencias meteorológicas son la principal causa de retrasos y anulaciones de lanzamientos. Los vehículos de lanzamiento, así como los transbordadores espaciales, son sensibles a la amenaza de rayos durante el lanzamiento y su tránsito por la capa inferior de la atmósfera. Los cohetes contienen comburentes, combustible, y también electroexplosivos para autodestruirlo si fuera necesario. Por ello, un impacto de rayo podría tener consecuencias catastróficas en términos de pérdidas de vidas, tiempo y coste económico¹.

La amenaza de tormenta eléctrica llevó al desarrollo de criterios meteorológicos que mitigasen el riesgo debido a los rayos durante el lanzamiento. Estos se conocen como Lightning Launch Commit Criteria (LLCC). Desde su implantación, cerca de un 5% de los lanzamientos en Cabo Cañaveral/John F. Kennedy Space Center (KSC) se han cancelado y un 35% se han pospuesto².

De hecho, la misión orbital Artemis I con lanzamiento programado para el 29 de agosto de 2022, tuvo que retrasar el abastecimiento de combustible debido a la presencia de tormentas en alta mar. Tras finalizar la operación de repostaje, se encontraron problemas de temperatura en uno de los motores del cohete. La misión volvió a retrasarse varias veces por temas técnicos, pero también por la presencia de las tormentas tropicales Ian y Nicole. El lanzamiento de la misión se pudo realizar con éxito el pasado 16 de noviembre de 2022.

A continuación, comentamos las reglas LLCC de lanzamiento de vehículos espaciales de la NASA, y la importancia de los detectores de campo electrostático para la evaluación del riesgo derivado de rayos en el área.

Criterios de lanzamiento de la NASA (Lightning Launch Commit Criteria, LLCC)

Los LLCC son un conjunto de reglas, desarrolladas por la NASA y otras organizaciones federales de Estados Unidos, para mitigar el riesgo de impactos durante el lanzamiento de vehículos espaciales. Engloban las descargas naturales y las inducidas por el propio cohete. La última versión de los LLCC se encuentra publicada en la norma NASA-STD-4010 de 2017³. De todas formas, los LLCC y sus definiciones asociadas se revisan continuamente según los nuevos conocimientos y la experiencia acumulada a lo largo de los años del programa espacial estadounidense⁴.

Si bien la amenaza de tormenta eléctrica ya se consideró en los inicios de la era espacial, hasta el lanzamiento del Apolo 12 en 1969 no se tuvo en cuenta los rayos inducidos por el propio vehículo al volar a través de nubes altamente electrificadas y que no están produciendo descargas de forma natural⁴.

En el caso del Apolo 12 se observaron sendos rayos inducidos durante el primer minuto del vuelo. Estos impactos produjeron daños permanentes en sensores no esenciales, así como fallos temporales de sistemas críticos. La misión pudo completarse con éxito, gracias a la resolución de los problemas por parte de la tripulación. Debido a este incidente se introdujeron nuevas reglas que prohibían volar en la cercanía de tormentas eléctricas o a través de determinados tipos de nubes no tormentosas, pero con riesgo potencial de electrificación¹.

En cambio, el cohete Atlas-Centaur 67 (AC 67) de 1987, que contenía el satélite Fleetsatcom, sufrió un impacto inducido por el paso del cohete a través de una nube electrificada. Este rayo produjo un fallo en el sistema de guiado del vehículo. A raíz de una rotación no planificada, se generaron tensiones por las que el cohete comenzó romperse, por lo que se ordenó su autodestrucción. Los restos recuperados del océano Atlántico confirmaron que se había producido un impacto de rayo¹.

De todas formas, se determinó que, aunque los LLCC vigentes en 1987 eran deficientes, la principal responsabilidad del desastre fue la evaluación que, de haberse ejecutado de forma rigurosa, hubiera evitado el despegue del AC 67⁵.

En la norma NASA-STD-4010 se proporcionan requisitos uniformes técnicos y de ingeniería para los procedimientos, prácticas y métodos de los programas y proyectos de la NASA. Asimismo, la publicación técnica NASA/TP-2016-219439 de 2016⁵ recoge la base científica de la norma, si bien este documento se realizó sobre los LLCC en vigor en agosto de 2014, por lo que no incluye las modificaciones posteriores que pueda haber en la norma de 2017.

El requisito de que todos los criterios se cumplan durante el lanzamiento es crítico para que los LLCC proporcionen una seguridad real. Esto ocurre porque la mayoría de las reglas individuales están diseñadas para cubrir solo un tipo determinado de amenaza y contando con que todos los demás LLCC se cumplen. Por eso, la evaluación debe ser simultánea para evitar cualquier riesgo conocido⁵.

La mayoría de los LLCC se refieren a los rayos inducidos por el cohete cuando penetra rápidamente en una región de elevado campo eléctrico ambiental o por el posible efecto de electrificación de la nube de humo que puede provocar un incremento y redistribución de la carga eléctrica de las nubes existentes.

El efecto del cohete al atravesar una nube cargada eléctricamente tiene ciertas similitudes con el funcionamiento de un pararrayos en el que se intensifica el campo eléctrico en su punta ya que la compresión de campo eléctrico alrededor del vehículo puede causar esta intensificación del campo eléctrico hasta dos órdenes de magnitud. De esta forma, los campos eléctricos requeridos para provocar descargas de rayo en estas circunstancias pueden ser cien veces menores a los necesarios para que se produzcan rayos naturales². Como las descargas inducidas pueden tener lugar en nubes en las que no se están generando rayos naturales, la predicción se complica⁵.

De todas formas, el primero de los LLCC se refiere a los rayos naturales, ya que son el mejor indicador indirecto de la presencia de altos campos eléctricos que podrían causar que el vehículo provocara descargas⁵.

El criterio subsiguiente se basa en la medida de campos eléctricos en la superficie terrestre porque, de hecho, este parámetro físico está directamente relacionado con la carga eléctrica de la nube. Por lo tanto, influye en el proceso de generación de rayos tanto inducidos como naturales. Este criterio se incorporó a partir del accidente del AC 67 con el objetivo de añadir una capa de protección más a los LLCC relativos a los tipos de nube⁵. Por eso, entre el equipamiento del que dispone el KSC destaca la red de molinos de campo que, adecuadamente calibrados, miden el campo eléctrico en la superficie terrestre. En la propia norma NASA-STD-4010 se indican también pautas para utilizar las lecturas de los sensores³. Esta red de molinos de campo en la superficie terrestre se considera de extrema importancia para la seguridad durante el lanzamiento⁵.

De hecho, aunque el LLCC relativo al campo eléctrico ambiental no estaba incluido cuando ocurrió el accidente del AC 67, si se hubieran considerado las lecturas de los molinos de campo en funcionamiento, no se hubiera autorizado el despegue^4,5.

A continuación de la regla del campo eléctrico, los LLCC incluyen varios criterios específicos sobre tipos de nubes, y el último se refiere a la triboelectricidad (carga eléctrica ocasionada por la fricción) generada sobre o en el interior del vehículo⁵.

ATSTORM®, sistema inteligente de alerta temprana por tormenta eléctrica

Los molinos de campo son dispositivos que miden el campo electrostático utilizando un obturador giratorio sobre una placa receptora. Estos equipos suelen presentar problemas de obstrucción, desgaste y avería, porque el motor eléctrico rotatorio debe funcionar en modo continuo^6–8. En cambio, Aplicaciones Tecnológicas S.A. ha desarrollado el sistema de detección de tormentas ATSTORM® cuyo Sensor Electrométrico de Campo Controlado (SECC®)⁹ es totalmente electrónico y sin partes móviles. Así se evitan las limitaciones de los molinos de campo.

ATSTORM® incorpora otro sensor basado en campo electromagnético. Así, extiende al área de monitorización hasta un radio de 40 kilómetros y permite definir un estado de prealerta ante las tormentas activas distantes que se aproximan.

El sistema de detección de tormentas ATSTORM® es, además, una solución inteligente con tecnología IoT, y que se basa en la evaluación de las condiciones del área a proteger y de múltiples datos que apoyan a los algoritmos expertos. ATSTORM® determina de forma objetiva el riesgo real local, por lo que previene riesgos laborales y optimiza los tiempos de parada por posible tormenta eléctrica. Esto es especialmente importante porque, según datos de 2006, una cancelación del lanzamiento podría costar de 150 000 a un millón de dólares².

El sistema ATSTORM® recoge la información en tiempo real desde las unidades de detección de tormentas y la traslada al servidor securizado AT-CLOUD. A través de los algoritmos especializados, se estima el riesgo de tormenta eléctrica en el emplazamiento. Esto permite reconocer las condiciones que requieren proporcionar una alerta. Sus algoritmos, en continuo aprendizaje, están avalados por más de 15 años de experiencia acumulada.

Si desea más información sobre ATSTORM® y cómo su tecnología exclusiva lo convierte en el sistema más avanzado del mercado, por encima de cualquier sensor de campo electrostático o basado en campo electromagnético, puede contactar con nuestros expertos en el siguiente enlace.

Referencias

1. Cooray, V. Lightning Protection. (The Institution of Engineering and Technology, 2010).
2. Roeder, W. & McNamara, T. A survey of the Lightning Launch Commit Criteria. in 2nd Conference on Meteorological Applications of Lightning Data 18 (2006).
3. National Aeronautics and Space Administration (NASA). NASA Standard for Lightning Launch Commit Criteria for Space Flight. https://standards.nasa.gov/standard/NASA/NASA-STD-4010 (2017).
4. Merceret, F. J. et al. A History of the Lightning Launch Commit Criteria and the Lightning Advisory Panel for America’s Space Program. 250 https://ntrs.nasa.gov/citations/20110000675 (2010).
5. Willett, J. C. et al. Rationales for the Lightning Launch Commit Criteria. 283 (2016).
6. Aranguren, D. Desempeño de Sensores de Campo Eléctrostático en Sistemas de Alerta de Tormentas. (2011).
7. Torralba, C. et al. Storm detection by static electric field measurements without mobile elements. in 1st International Lightning Protection Symposium (2011).
8. Zhengyu, L. Application of preventive protection in an Oil Basement in China. in International Lightning Protection Symposium (2014).
9. Ruiz, D. et al. A new concept in lightning parameters measurement. J. Electrost. 67, 496–500 (2009).