Bolsa sorpresa del proyecto

Para la monitorización ambiental , el Proyecto Grab Bag fue un programa de muestreo de aire llevado a cabo en Estados Unidos en la estratosfera de las pruebas de armas nucleares en superficie realizadas en la Unión Soviética .

El objetivo del programa Grab Bag era desarrollar un sistema no tripulado de gran altitud transportado por globos que recolectaría muestras de aire a una altitud típica de 80 000 pies (24 000 m) y las traería de regreso a la Tierra para su análisis. Las muestras de aire se analizaron para detectar la presencia de isótopos específicos de kriptón y xenón , marcadores inequívocos de reacciones de fisión . Estos isótopos de corta vida se crean en el proceso de fisión y son transportados a gran altura en la atmósfera por la bola de fuego, donde permanecerán durante algunos días. El sistema de muestreo de aire fue desarrollado por el grupo de Globos y Sistemas Meteorológicos de General Mills , Inc. en Minneapolis, Minnesota , utilizando grandes globos fabricados con una película delgada de polietileno . La prueba inicial del sistema de muestreo recolectó una importante muestra de aire sobre los Estados Unidos el 14 de agosto de 1953, a una altitud de 80 000 pies (24 000 m) . Esta muestra contenía restos de una prueba de arma nuclear en la URSS, denominada Joe-4, que se llevó a cabo dos días antes, el 12 de agosto de 1953, en Semipalatinsk , Kazajstán . ^{[ 1 ]} Esta fue la primera prueba de un arma termonuclear realizada por la URSS y se inició con una bomba de uranio-235 de 40 kilotones y produjo un rendimiento total de 400 kilotones .  

La primera detonación nuclear fue una prueba en superficie, "Trinity", realizada en Nuevo México el 16 de julio de 1945. Representó un logro importante del Proyecto Manhattan , que se había iniciado en el Laboratorio Nacional de Los Alamos en 1943. ^{[ 2 ]} En menos de dos meses después de esta prueba, las armas nucleares ensambladas en Los Alamos se utilizaron en la Guerra del Pacífico contra Japón . Hiroshima fue devastada el 6 de agosto de 1945 con un dispositivo de cañón de uranio-235 con un rendimiento de productos de fisión de aproximadamente 15 kilotones. Tres días después, el 9 de agosto de 1945, se detonó un dispositivo de implosión de plutonio-239 con un rendimiento de aproximadamente 22 kilotones sobre Nagasaki . Estos eventos influyeron significativamente en el desenlace de la Segunda Guerra Mundial , ya que se hizo evidente el increíble poder destructivo de estas nuevas armas. El Proyecto Manhattan reunió a científicos de Estados Unidos y Gran Bretaña para colaborar en este programa de desarrollo de armas nucleares. Los Álamos fue el epicentro de esta actividad y, a pesar de la alta seguridad, en 1948 se constató que la seguridad del programa se había visto comprometida. Klaus Fuchs , un físico teórico británico íntimamente involucrado en algunos de los aspectos más delicados del programa, había proporcionado a la URSS información clave a través de contactos externos desde 1945. ^{[ 3 ]} Esta información impulsó sustancialmente el esfuerzo soviético en el desarrollo de armas nucleares . A medida que Estados Unidos se percató de la pérdida de ideas y conceptos de diseño clave, fue importante reevaluar el estado del programa soviético de dispositivos de fisión y monitorear las extensiones de su programa a dispositivos de fusión. Una preocupación era el grado de progreso logrado por los soviéticos en la producción de material fisionable mediante operaciones de reactores. De aún mayor importancia era el estado de desarrollo de dispositivos de fisión-fusión capaces de un poder destructivo órdenes de magnitud mayor que los dispositivos de fisión utilizados contra Japón.

La detección de operaciones de reactores y pruebas de armas nucleares en superficie puede realizarse de diversas maneras. Un método utilizado desde principios de la década de 1950 ha sido el análisis de muestras de aire recogidas a baja altitud y en la superficie para detectar la presencia de nucleidos radiactivos específicos. Esta técnica sigue en uso, y existen varios detectores de radionucleidos terrestres para desechos en suspensión en funcionamiento continuo en diversas partes del mundo. ^{[ 4 ]} Una ventaja de recoger muestras de aire en la estratosfera es que las potentes explosiones nucleares en superficie transportan los desechos de las bombas a altitudes elevadas, donde se dispersan ampliamente por los vientos en altura. Por lo tanto, la recogida y el análisis de estos desechos pueden proporcionar información directa y oportuna sobre una prueba en particular. Este artículo describe brevemente el exitoso esfuerzo para desarrollar e implementar un programa de recolección de muestras de aire utilizando sistemas de globos de gran altitud que se emplearon desde 1953 hasta finales de 1956. El programa de globos de gran altitud que recogió estas muestras se conoció como Proyecto Grab Bag.

El Grupo de Sistemas Meteorológicos y de Globos de General Mills, Inc. (GMI) había desarrollado, junto con otras organizaciones, sistemas de globos de nivel constante capaces de transportar de forma fiable instrumentos y otros equipos a gran altura en la estratosfera durante períodos prolongados. ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]} Estos sistemas eran plataformas ideales para realizar experimentos relacionados con la observación de vientos en altura, estudios de rayos cósmicos y una variedad de otras investigaciones. A principios de 1953, los eventuales patrocinadores del programa Grab Bag comunicaron al equipo de GMI bajo la dirección de Harold E. Froehlich, ingeniero principal del Grupo de Sistemas Meteorológicos y de Globos, que las muestras de aire de gran altitud que contenían desechos de las pruebas de armas nucleares de la URSS en superficie serían importantes para monitorear el progreso de su programa de armas nucleares. Los patrocinadores no discutieron tipos específicos de desechos o isótopos que fueran de interés. Se consideró deseable obtener muestras de aire de tamaño considerable a gran altitud, por ejemplo, a 24 000 metros (80 000 pies ) , es decir, muestras del orden de 34 m³ (1200 pies cúbicos ⁾ en condiciones estándar de temperatura y presión. Esto significaba que sería necesario recolectar muestras de aproximadamente 930 m³ (33 000 pies cúbicos ) ^a gran altitud. Los patrocinadores también manifestaron la urgencia de desarrollar la capacidad para recolectar dichas muestras. Se esperaba que una importante prueba de armamento tuviera lugar en el campo de pruebas de la URSS a finales del verano de 1953, en unos seis meses. Asimismo, revelaron que se estaban desarrollando otros dos proyectos estadounidenses de muestreo de aire y describieron los métodos que utilizaban aeronaves especiales de gran altitud y cohetes sonda. Estos métodos tenían limitaciones en cuanto al tamaño efectivo de la muestra de aire, y el programa de globos aerostáticos ofrecía la posibilidad de recolectar muestras de aire comparativamente grandes. El equipo de Grab Bag comenzó a desarrollar el concepto de suspender una envoltura desinflada debajo de un gran globo lleno de helio, y llevar la envoltura a gran altitud y llenarla con aire ambiente. Un piloto automático iniciaría entonces el descenso de todo el sistema. Cuando el sistema hubiera descendido a unos 10.000 pies (3.000 m)    La muestra de aire se transferiría desde la envoltura a un recipiente blindado capaz de soportar diversas situaciones de aterrizaje y protegerla de pérdidas durante la recuperación. El sistema de globo incluiría un controlador electrónico y un piloto automático para llevar a cabo esta secuencia de eventos y para que todo el sistema regresara a tierra en un descenso controlado. En las figuras 1 a 3 se ilustran esquemas simplificados del sistema de recogida en las tres etapas principales del vuelo: ascenso del sistema a la altitud de muestreo (Figura 1), recogida de la muestra de aire a gran altitud (Figura 2) y recuperación de la muestra y descenso del sistema (Figura 3).

Como se muestra esquemáticamente en la Figura 1, un soplador de alta velocidad, su fuente de alimentación y el paquete de control electrónico se suspendieron de la base del globo de muestreo, en el punto más bajo del tren de carga (n.° 57). La base del globo de muestreo se modificó para alojar un accesorio cilíndrico (n.° 40) que se acopló al soplador . El soplador funcionaría a la altitud máxima de 80 000 pies (24 000 m) durante aproximadamente dos horas para llenar el globo de muestreo con unos 33 000 pies cúbicos (930 ^m³ ) de aire. El globo de muestreo inflado se ilustra en la Figura 2 al finalizar el ciclo de muestreo. En este punto, un piloto automático liberaría una cantidad predeterminada de helio del globo de elevación e iniciaría el descenso de todo el sistema a una velocidad de unos 400 pies por minuto. A medida que el sistema descendía a unos 3000 metros (10 000 pies) , un ventilador axial (n.º 29), situado en la parte superior de la envoltura de la muestra, se activaba para transferir la muestra de aire a un recipiente blindado flexible (n.º 27), ubicado justo encima del globo de muestra y debajo del globo de elevación y el paracaídas suspendido (n.º 23). La transferencia de la muestra requería un breve período de tiempo, tras el cual se sellaba una válvula en la base del recipiente blindado (n.º 29). El sistema continuaba descendiendo y, cuando la unidad de control tocaba tierra, unos dispositivos explosivos cortaban la conexión entre el globo de elevación y el paracaídas, lo que provocaba el colapso del globo y la finalización del vuelo. El concepto de "bolsa de recogida" dio como resultado un complejo tren de carga con cables eléctricos que recorrían toda la longitud del sistema, unos 91 metros (300 pies ) . El lanzamiento del sistema supuso un reto para lograr que este sistema ampliado despegara del suelo de forma segura, y para hacerlo sin dañar el globo de elevación, la envoltura de la muestra, los cables eléctricos de los sopladores, el piloto automático y la válvula de helio asociada, las líneas de antena y otros elementos del sistema.    

La unidad de control electrónico (n.º 57) transmitió la altitud y los pasos clave de la secuencia de vuelo, entre los que se incluyen:

• La puesta en marcha de un ventilador de gran altitud durante un período programable (normalmente 90 minutos) para llenar la envoltura de la muestra con aire ambiente.
• La puesta en marcha del ventilador axial n.º 25 (para transferir la muestra de aire del globo de muestreo al recipiente blindado a una altitud de 10 000 pies).
• La activación de la función de piloto automático n.º 116 (para liberar el helio del globo de elevación).
• La velocidad de descenso del sistema (normalmente de 1000 a 2000 pies por minuto).
• El armado de los dispositivos explosivos de desacoplamiento n.° 57 (para desinflar rápidamente el globo de elevación cuando la parte más baja del sistema entrara en contacto con el suelo).

Se diseñó un recipiente blindado no rígido (n.º 27) capaz de soportar los rigores de la mayoría de los aterrizajes y preservar la muestra de aire de aproximadamente 28 m³ (1000 pies cúbicos ⁾ . Consistía en tres cilindros anidados de materiales flexibles que, de afuera hacia adentro, eran: una capa exterior resistente de nailon plastificado; una capa intermedia de nailon tejido con una resistencia al desgarro muy alta; y un cilindro interior de película de polietileno que serviría como barrera de gas para la muestra de aire. En el despegue, el recipiente blindado colgaba desinflado alrededor del cable de acero (n.º 27) y debajo de un paracaídas abierto (n.º 23) que frenaría el descenso del sistema si la velocidad superaba los 610 metros (2000 pies) por minuto. El lanzamiento de este complejo sistema de globos requería técnicas de manejo especiales, y todo el proceso se denominaba lanzamiento desde plataforma, un concepto novedoso desarrollado por Harold E. Froehlich, ingeniero principal del Grupo de Globos y Sistemas Meteorológicos. En este método de lanzamiento, el tren de carga, de casi 91 metros (300 pies) de longitud, se extendía sobre una pista cubierta con lona, ​​con la parte inferior orientada a favor del viento. La parte superior del sistema, la parte superior del globo elevador, se ubicaba a favor del viento. Una plataforma pesada se colocaba cerca de la parte superior del globo, y el material del globo pasaba por encima de la plataforma, donde se mantenía firmemente sujeto por un gran rodillo horizontal acolchado de aproximadamente 1,2 metros (cuatro pies) de longitud. El tubo de inflado de helio se ubicaba en la parte superior del globo, de modo que la fuente de helio inflaba la sección del globo más allá de la plataforma. Dado que el sistema ascendería a 24 000 metros (80 000 pies ) de altitud, solo se llenó con helio aproximadamente el 3 % del volumen máximo del globo. El inflado se realizó dosificando una cantidad de helio, el gas de elevación, equivalente al peso bruto del sistema más, normalmente, un 5 % de "sustentación libre" para garantizar que el sistema ascendiera a una velocidad adecuada en el momento del lanzamiento.   

El lanzamiento se inició liberando el rodillo acolchado de la plataforma de lanzamiento. El globo ascendente recogía entonces, de forma secuencial, la parte inferior del globo de elevación, el paracaídas desplegado y la cápsula blindada, la envoltura desinflada y, por último, la pesada bolsa isotérmica que contenía el controlador, el soplador, los instrumentos, el equipo de telemetría y la fuente de alimentación. Existían variaciones de este procedimiento que evolucionaron para facilitar el lanzamiento. Por ejemplo, la pesada bolsa de instrumentos y el conjunto del soplador se montaron finalmente en la parte delantera de un vehículo que circulaba por debajo del sistema de globo durante su ascenso, y la bolsa se liberaba del vehículo mediante pequeños dispositivos explosivos.

Los vuelos de Grab Bag se lanzaban normalmente temprano por la mañana y se recuperaban durante las horas de luz del día. El tiempo de ascenso a 80 000 pies (24 000 m) solía ser de unas tres horas. A medida que el sistema de globos se aproximaba a la altitud del techo, la sustentación sobrante (denominada "sustentación libre") que impulsaba el sistema hacia arriba durante el lanzamiento llenaba un sistema de conductos del globo de elevación, y el helio se liberaba automáticamente del globo de elevación, lo que ralentizaba el ascenso. Mientras este proceso continuaba, el sistema de globos ascendía lentamente hasta la altitud del techo y se encontraba en equilibrio, ya que la sustentación del globo de helio equilibraba el peso total del sistema. Si este proceso se desarrollaba según lo previsto, se necesitaban unos treinta minutos para asegurar que el sistema estuviera estable a la altitud del techo de 80 000 pies (24 000 m) . Si los instrumentos del sistema indicaban que la altitud no cambiaba, el controlador activaba el soplador conectado al globo de la envoltura de la muestra en la base del sistema. El efecto de encender el soplador era casi inmediatamente evidente en la apariencia del globo de la muestra. La observación del sistema a través de un telescopio de seguimiento mostró claramente que la envoltura de la muestra comenzaba a llenarse. El proceso de recolección de muestras generalmente requería aproximadamente una hora para completarse, y el sistema se veía entonces como dos globos, uno inmediatamente encima del otro. El controlador apagaba el soplador y cerraba una válvula que sellaba la envoltura de la muestra desde el exterior. Luego, el controlador activaba el piloto automático, liberando helio del globo de elevación (n.° 116) e iniciando un descenso de todo el sistema. En la práctica, el descenso del sistema no se hacía evidente hasta aproximadamente una hora después de la activación del piloto automático. Esto se debía a que el globo de muestra, que ahora contenía un gran volumen de aire, generaría sustentación con cualquier descenso debido al calentamiento adiabático del aire de la muestra en la estratosfera isotérmica. Podía requerir una o dos horas para establecer una velocidad de descenso nominal del sistema. El descenso a altitudes del orden de 15 000 pies (4600 m)   Esto podía durar entre dos y tres horas. En ese momento, el ventilador axial (n.° 29) se activaba automáticamente para transferir el aire del globo de muestra al recipiente blindado. Esta transferencia solía completarse antes de que el sistema alcanzara una altitud de 4000 o 5000 pies, y el controlador sellaba una válvula en el recipiente blindado, justo encima del ventilador axial (n.° 25). Mientras el sistema continuaba descendiendo y aterrizaba, se activaban cortadores explosivos para liberar el globo de elevación de la parte inferior del sistema, y ​​el recipiente blindado caía la corta distancia restante, quizás cincuenta pies, hasta el suelo. Por lo general, el equipo de recuperación se encontraba en el lugar de aterrizaje e inmediatamente comenzaba el proceso de transferir la muestra de aire del recipiente blindado a botellas de alta presión para su traslado a otro laboratorio para su análisis.

En el marco del programa de desarrollo Grab Bag, se realizaron seis vuelos de prueba en los que se examinaron diversos elementos del sistema. El séptimo vuelo consistió en el primer intento de obtener la primera muestra de aire a 24 000 metros (80 000 pies ) de altitud en la zona de Minneapolis a mediados de agosto de 1953. Los seis vuelos de prueba evaluaron diversos componentes del sistema e incluyeron: pruebas y desarrollo del procedimiento de lanzamiento de este complejo sistema; una evaluación del controlador del sistema; la idoneidad de la fuente de alimentación y la función del piloto automático; un estudio del funcionamiento del soplador en altitud para evaluar tanto su funcionamiento como el volumen de aire suministrado al globo de muestreo en comparación con los resultados de laboratorio; una evaluación del proceso mediante el cual el ventilador axial transfería la muestra de aire del globo al recipiente blindado, el cual se sellaba; y, en cada caso, el desarrollo de la logística para el lanzamiento y la recuperación del sistema. 

Afortunadamente, el primer vuelo del sistema completo coincidió con la prueba en superficie realizada en la URSS. Este primer vuelo fue un éxito y, posteriormente, se nos informó que la muestra de aire proporcionó información de vital importancia para quienes evalúan las reacciones de fisión/fusión y las actividades de prueba en todo el mundo. También supimos que, de los tres métodos desarrollados para capturar muestras de aire, el sistema de globo de gran altitud fue el único que logró este objetivo con éxito, y la muestra se recolectó dentro del plazo deseado. Como antes, no se disponía de información específica ni definitiva. Fotografías, películas y cuadernos que describen con más detalle el desarrollo del sistema Grab Bag y el proceso de lanzamiento de la plataforma se encuentran en los archivos del Museo Internacional del Globo en Albuquerque, Nuevo México.

Años después, se dispuso de más información relacionada con las observaciones fundamentales realizadas a partir de las muestras de aire recogidas en el programa Grab Bag. Esta información se refería a la presencia y distribución de isótopos de gases inertes , en particular isótopos de xenón y criptón. La fisión de un núcleo produce dos núcleos diferentes, cuya masa es prácticamente igual a la del núcleo original. Por lo tanto, la fisión del uranio o del plutonio produce un espectro de diferentes pares de núcleos, generalmente con una distribución de masa bimodal . Los productos de la fisión incluyen isótopos de muchos elementos, incluidos gases inertes como el xenón y el criptón. Algunos de los isótopos radiactivos de estos elementos inertes tienen vidas medias del orden de días, por lo que se han desintegrado y no se encuentran en nuestro sistema solar. Sin embargo, una reacción de fisión reciente, como la que se produce en un reactor o en una explosión nuclear, genera pequeñas cantidades de estos isótopos radiactivos. Si se detectan en la atmósfera, su presencia es evidencia de que un reactor ha estado en funcionamiento o de que se ha producido una detonación nuclear reciente. Este es el fundamento del muestreo de aire como método para la detección y caracterización de dichas actividades.

Como se indica en la siguiente tabla de Chien C. Lin, los isótopos de particular interés tienen vidas medias cortas, por lo que su detección depende del muestreo inmediato de la atmósfera tras dichas operaciones. ^{[ 9 ]} Cabe señalar que la distribución y las proporciones de los isótopos de xenón también pueden utilizarse para determinar si una detonación en particular fue de un dispositivo de uranio o plutonio.

La explosión que fue muestreada por este primer vuelo de Grab Bag se conoce como Joe 4 y tuvo lugar el 12 de agosto de 1953 en Semipalatinsk, Kazajistán. Fue una bomba de uranio-235 de 40 kilotones que finalmente produjo un rendimiento total de 400 kilotones. Se estimó que entre el 15 y el 20 % de la energía se liberó por fusión (60-80 kilotones) y el resto por fisión rápida. ^{[ 10 ]}

El programa de muestreo de aire Grab Bag se expandió rápidamente tras el exitoso vuelo de agosto de 1953, y posteriormente se realizaron más de doscientos vuelos Grab Bag durante los dos años siguientes. Fue uno de los programas más grandes que se llevaron a cabo en la organización de Sistemas Meteorológicos y de Globos de General Mills Inc. El 19 de febrero de 1963, la patente estadounidense 3.077.779, para este sistema de muestreo de aire a gran altitud, fue asignada a H. E. Froehlich, Roger A. Kizzek, Donald F. Melton y Richard L. Schwoebel.