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Pulso electromagnético

Un pulso electromagnético ( EMP ), también conocido como perturbación electromagnética transitoria ( TED ), es una breve ráfaga de energía electromagnética . Su origen puede ser...

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Un pulso electromagnético ( EMP ), también conocido como perturbación electromagnética transitoria ( TED ), es una breve ráfaga de energía electromagnética . Su origen puede ser natural o artificial, y puede manifestarse como un campo electromagnético , un campo magnético o una corriente eléctrica conducida . La interferencia electromagnética causada por un EMP puede interrumpir las comunicaciones y dañar los equipos electrónicos. [ 1 ] Un EMP, como el provocado por un rayo, puede dañar físicamente objetos como edificios y aeronaves. La gestión de los efectos de un EMP es una rama de la ingeniería de compatibilidad electromagnética (CEM).

La tormenta solar de agosto de 1859, conocida como el Evento Carrington , es históricamente significativa por ser el primer caso importante registrado de daños geomagnéticos a la infraestructura eléctrica, aunque se clasifica físicamente como una perturbación geomagnética de larga duración (GMD) en lugar de un pulso electromagnético transitorio (EMP). [ 2 ]

Para la guerra moderna, las armas que emiten un EMP de alta energía están diseñadas para interrumpir [ 3 ] los equipos de comunicaciones, las computadoras necesarias para operar los aviones de guerra modernos, o incluso dejar fuera de servicio toda la red eléctrica de un país objetivo. [ 4 ] Las armas nucleares también pueden producir pulsos electromagnéticos nucleares .

Características generales

Un pulso electromagnético es una breve descarga de energía electromagnética. Su corta duración implica que se propagará en un rango de frecuencias. Los pulsos se caracterizan típicamente por:

  • El modo de transferencia de energía (eléctrica, magnética, radiada o conducida)
  • El rango o espectro de frecuencias presentes
  • Forma de onda del pulso: forma, duración y amplitud

El espectro de frecuencias y la forma de onda del pulso están interrelacionados mediante la transformada de Fourier , que describe cómo las formas de onda componentes pueden sumarse para formar el espectro de frecuencias observado.

Tipos de energía

La energía EMP puede transferirse de cuatro formas diferentes:

Según las ecuaciones de Maxwell , un pulso de energía eléctrica siempre irá acompañado de un pulso de energía magnética. En un pulso típico, predominará la forma eléctrica o la magnética. Se puede demostrar que las ecuaciones no lineales de Maxwell pueden tener soluciones de ondas de choque electromagnéticas autosimilares dependientes del tiempo, donde las componentes del campo eléctrico y magnético presentan una discontinuidad. [ 5 ]

En general, solo la radiación actúa a largas distancias, mientras que los campos magnéticos y eléctricos actúan a cortas distancias. Existen algunas excepciones, como una erupción magnética solar .

Rangos de frecuencia

Un pulso de energía electromagnética generalmente comprende muchas frecuencias, desde muy bajas hasta un límite superior determinado según la fuente. El rango definido como EMP, a veces denominado "CC [corriente continua] a luz diurna", excluye las frecuencias más altas que comprenden los rangos óptico ( infrarrojo , visible , ultravioleta ) e ionizante ( rayos X y gamma ).

Algunos tipos de pulsos electromagnéticos (EMP) pueden dejar una estela óptica, como relámpagos y chispas, pero estos son efectos secundarios del flujo de corriente a través del aire y no forman parte del propio pulso electromagnético.

formas de onda de pulso

La forma de onda de un pulso describe cómo cambia su amplitud instantánea (intensidad de campo o corriente) con el tiempo. Los pulsos reales suelen ser bastante complejos, por lo que a menudo se utilizan modelos simplificados. Dicho modelo se describe normalmente mediante un diagrama o una ecuación matemática.

La mayoría de los pulsos electromagnéticos presentan un flanco ascendente muy pronunciado, alcanzando rápidamente su nivel máximo. El modelo clásico es una curva biexponencial que sube rápidamente, alcanza un pico y luego decae más lentamente. Sin embargo, los pulsos de un circuito de conmutación controlado suelen tener una forma similar a la de un pulso rectangular o cuadrado.

Los eventos EMP suelen inducir una señal correspondiente en el entorno o material circundante. El acoplamiento generalmente se produce con mayor intensidad en una banda de frecuencia relativamente estrecha, lo que da lugar a una onda sinusoidal amortiguada característica . Visualmente, se observa como una onda sinusoidal de alta frecuencia que crece y decae dentro de la envolvente de mayor duración de la curva doble exponencial. Una onda sinusoidal amortiguada suele tener mucha menos energía y una dispersión de frecuencia más estrecha que el pulso original, debido a la característica de transferencia del modo de acoplamiento. En la práctica, los equipos de prueba EMP a menudo inyectan estas ondas sinusoidales amortiguadas directamente en lugar de intentar recrear los pulsos de amenaza de alta energía.

En un tren de pulsos, como el de un circuito de reloj digital, la forma de onda se repite a intervalos regulares. Un solo ciclo de pulso completo es suficiente para caracterizar dicho tren regular y repetitivo.

Tipos

Un pulso electromagnético (EMP) se produce cuando la fuente emite un pulso de energía de corta duración. Esta energía suele ser de banda ancha, aunque a menudo genera una respuesta de onda sinusoidal amortiguada de banda relativamente estrecha en el entorno circundante. Algunos tipos se generan como trenes de pulsos repetitivos y regulares .

Los distintos tipos de pulsos electromagnéticos (EMP) se originan por efectos naturales, artificiales y provocados por armas.

Los tipos de eventos EMP naturales incluyen:

  • Pulso electromagnético de rayo (LEMP). La descarga consiste típicamente en un flujo de corriente inicial de quizás millones de amperios , seguido de una serie de pulsos de energía decreciente.
  • Descarga electrostática (ESD), como resultado de que dos objetos cargados se acerquen o incluso entren en contacto.
  • Pulso electromagnético meteórico. Descarga de energía electromagnética resultante del impacto de un meteoroide con una nave espacial o de la desintegración explosiva de un meteoroide al atravesar la atmósfera terrestre. [ 6 ] [ 7 ]
  • La eyección de masa coronal (CME), a veces denominada EMP solar, es una explosión de plasma y un campo magnético asociado, eyectados de la corona solar y liberados al viento solar . [ 8 ]

Los tipos de eventos EMP (pulso electromagnético) artificiales (de origen civil) incluyen:

  • Acción de conmutación de circuitos eléctricos, ya sea aislada o repetitiva (como un tren de pulsos).
  • Los motores eléctricos pueden generar una serie de pulsos a medida que los contactos eléctricos internos establecen y rompen conexiones al girar la armadura.
  • Los sistemas de encendido de los motores de gasolina pueden crear una serie de pulsos cuando las bujías se energizan o se activan.
  • Acciones de conmutación continuas de circuitos electrónicos digitales.
  • Sobretensiones en la red eléctrica . Estas pueden alcanzar varios kilovoltios, suficiente para dañar equipos electrónicos que no estén suficientemente protegidos.

Los tipos de pulsos electromagnéticos militares incluyen:

  • Pulso electromagnético nuclear (NEMP), como resultado de una explosión nuclear. Una variante de este es el pulso electromagnético nuclear de gran altitud (HEMP), que produce un pulso secundario debido a las interacciones de partículas con la atmósfera y el campo magnético terrestres .
  • Armas de pulso electromagnético no nuclear (NNEMP).

pulso electromagnético de rayo (LEMP)

El rayo es inusual porque normalmente tiene una descarga preliminar "líder" de baja energía que se acumula hasta el pulso principal, al que a su vez pueden seguir a intervalos varias ráfagas más pequeñas. [ 9 ] [ 10 ]

Descarga electrostática (ESD)

Los eventos ESD se caracterizan por altos voltajes de varios kV, pero a veces pequeñas corrientes provocan chispas visibles. Los eventos ESD se consideran un fenómeno pequeño y localizado, aunque técnicamente un rayo es un evento ESD de gran magnitud. Los eventos ESD también pueden ser provocados por el hombre, como la descarga eléctrica recibida de un generador Van de Graaff .

Una descarga electrostática (ESD, por sus siglas en inglés) puede dañar los circuitos electrónicos al inyectar un pulso de alto voltaje, además de provocar una descarga desagradable. Dicha descarga también puede generar chispas, que a su vez pueden provocar incendios o explosiones de vapores de combustible. Por este motivo, antes de repostar una aeronave o exponer cualquier vapor de combustible al aire, la boquilla de combustible se conecta a la aeronave para descargar de forma segura cualquier electricidad estática.

Pulsos de conmutación

La conmutación de un circuito eléctrico produce un cambio brusco en el flujo de electricidad. Este cambio brusco es una forma de pulso electromagnético (EMP).

Las fuentes eléctricas simples incluyen cargas inductivas como relés, solenoides y contactos de escobillas en motores eléctricos. Estas suelen enviar un pulso a través de las conexiones eléctricas presentes, además de irradiar un pulso de energía. La amplitud suele ser pequeña y la señal puede considerarse como "ruido" o "interferencia". La desconexión o "apertura" de un circuito provoca un cambio brusco en la corriente que circula. Esto, a su vez, puede generar un pulso grande en el campo eléctrico a través de los contactos abiertos, causando arcos eléctricos y daños. A menudo es necesario incorporar características de diseño para limitar estos efectos.

Los dispositivos electrónicos como tubos de vacío, válvulas, transistores y diodos también pueden encenderse y apagarse muy rápidamente, provocando problemas similares. Los interruptores de estado sólido y otros dispositivos que se utilizan solo ocasionalmente pueden generar pulsos puntuales. Sin embargo, los millones de transistores de un ordenador moderno pueden conmutar repetidamente a frecuencias superiores a 1  GHz, causando interferencias que parecen continuas.

pulso electromagnético nuclear (NEMP)

Un pulso electromagnético nuclear es el pulso abrupto de radiación electromagnética resultante de una explosión nuclear . Los campos eléctricos y magnéticos resultantes, que cambian rápidamente, pueden acoplarse con sistemas eléctricos/electrónicos para producir sobretensiones y corrientes dañinas . [ 11 ]

La intensa radiación gamma emitida también puede ionizar el aire circundante, creando un pulso electromagnético secundario a medida que los átomos de aire primero pierden sus electrones y luego los recuperan.

Las armas NEMP están diseñadas para maximizar los efectos EMP como mecanismo principal de daño, y algunas son capaces de destruir equipos electrónicos vulnerables en una amplia zona.

Un arma de pulso electromagnético de gran altitud (HEMP, por sus siglas en inglés) es una ojiva NEMP diseñada para detonarse muy por encima de la superficie terrestre. La explosión libera una ráfaga de rayos gamma en la estratosfera media , que se ioniza como efecto secundario, y los electrones libres energéticos resultantes interactúan con el campo magnético terrestre para producir un pulso electromagnético (EMP, por sus siglas en inglés) mucho más potente que el que se produce normalmente en el aire más denso a menor altitud.

Pulso electromagnético no nuclear (PNN)

El pulso electromagnético no nuclear (NNEMP) es un pulso electromagnético generado por armas sin utilizar tecnología nuclear. Entre los dispositivos que pueden lograr este objetivo se incluyen un banco de condensadores de baja inductancia de gran tamaño descargado en una antena de bucle único, un generador de microondas y un generador de compresión de flujo con bombeo explosivo . Para lograr las características de frecuencia del pulso necesarias para un acoplamiento óptimo con el objetivo, se añaden circuitos de conformación de onda o generadores de microondas entre la fuente del pulso y la antena . Los vircatores son tubos de vacío especialmente adecuados para la conversión de microondas de pulsos de alta energía. [ 12 ]

Los generadores NNEMP pueden transportarse como carga útil de bombas, misiles de crucero (como el misil CHAMP ) y drones , con efectos mecánicos, térmicos y de radiación ionizante reducidos, pero sin las consecuencias del despliegue de armas nucleares.

El alcance de las armas NNEMP es mucho menor que el de las EMP nucleares. Casi todos los dispositivos NNEMP utilizados como armas requieren explosivos químicos como fuente de energía inicial, produciendo solo una millonésima parte de la energía de los explosivos nucleares de peso similar. [ 13 ] El pulso electromagnético de las armas NNEMP debe provenir del interior del arma, mientras que las armas nucleares generan EMP como un efecto secundario. [ 14 ] Estos hechos limitan el alcance de las armas NNEMP, pero permiten una discriminación de objetivos más precisa. El efecto de las pequeñas bombas electromagnéticas ha demostrado ser suficiente para ciertas operaciones terroristas o militares. Ejemplos de tales operaciones incluyen la destrucción de sistemas de control electrónico críticos para el funcionamiento de muchos vehículos terrestres y aeronaves. [ 15 ]

El concepto del generador de compresión de flujo bombeado explosivamente para generar un pulso electromagnético no nuclear fue concebido ya en 1951 por Andrei Sakharov en la Unión Soviética, [ 16 ] pero las naciones mantuvieron clasificado el trabajo sobre EMP no nuclear hasta que surgieron ideas similares en otras naciones.

Efectos

Los eventos EMP menores, y especialmente los trenes de pulsos, causan bajos niveles de ruido o interferencia eléctrica que pueden afectar el funcionamiento de los dispositivos susceptibles. Por ejemplo, un problema común a mediados del siglo XX era la interferencia emitida por los sistemas de encendido de los motores de gasolina, [ 17 ] que provocaba que las radios crepitaran y los televisores mostraran franjas en la pantalla. La norma CISPR 25 se estableció para fijar los estándares umbral que los vehículos deben cumplir en cuanto a las emisiones de interferencia electromagnética (EMI).

A un nivel de alto voltaje, un pulso electromagnético (EMP) puede inducir una chispa, por ejemplo, a partir de una descarga electrostática al repostar un vehículo con motor de gasolina. Se sabe que dichas chispas pueden causar explosiones de mezcla de combustible y aire, por lo que deben tomarse precauciones para prevenirlas. [ 18 ]

Un pulso electromagnético (EMP) potente y de gran magnitud puede inducir altas corrientes y voltajes en la unidad afectada, interrumpiendo temporalmente su funcionamiento o incluso dañándola permanentemente.

Un pulso electromagnético (EMP) potente también puede afectar directamente a los materiales magnéticos y corromper los datos almacenados en soportes como cintas magnéticas y discos duros de ordenador . Los discos duros suelen estar protegidos por carcasas metálicas pesadas. Algunos proveedores de servicios de eliminación de activos informáticos y empresas de reciclaje de ordenadores utilizan un EMP controlado para borrar dichos soportes magnéticos. [ 19 ]

Un pulso electromagnético (EMP) de gran magnitud, como un rayo o la explosión de un arma nuclear en el aire, también puede dañar directamente objetos como árboles, edificios y aeronaves, ya sea por el efecto del calor o por los efectos disruptivos del intenso campo magnético generado por la corriente. Un efecto indirecto pueden ser los incendios eléctricos causados ​​por el calor. La mayoría de las estructuras y sistemas de ingeniería requieren algún tipo de protección contra rayos. Un buen método de protección es un escudo de Faraday, diseñado para proteger ciertos elementos de la destrucción.

Control

El simulador EMP HAGII-C está probando un avión Boeing E-4 .
El EMPRESS I (con antenas a lo largo de la costa) y el USS Estocin (FFG-15)   amarrado en primer plano para realizar pruebas.

Como cualquier interferencia electromagnética , la amenaza del pulso electromagnético (EMP) está sujeta a medidas de control. Esto es válido tanto si la amenaza es natural como si es provocada por el hombre.

Por lo tanto, la mayoría de las medidas de control se centran en la susceptibilidad de los equipos a los efectos del pulso electromagnético (EMP) y en su protección contra daños. Las fuentes artificiales, además de las armas, también están sujetas a medidas de control para limitar la cantidad de energía de pulso emitida.

La disciplina que garantiza el correcto funcionamiento de los equipos en presencia de pulsos electromagnéticos (EMP) y otras amenazas de radiofrecuencia se conoce como compatibilidad electromagnética (CEM).

Simulación de prueba

Para probar los efectos de un pulso electromagnético (EMP) en sistemas y equipos de ingeniería, se puede utilizar un simulador de EMP.

Simulación de pulso inducido

Los pulsos inducidos tienen una energía mucho menor que los pulsos de amenaza, por lo que son más fáciles de generar, pero son menos predecibles. Una técnica de prueba común consiste en usar una pinza amperimétrica en sentido inverso para inyectar una serie de señales sinusoidales amortiguadas en un cable conectado al equipo bajo prueba. El generador de ondas sinusoidales amortiguadas puede reproducir la gama de señales inducidas que probablemente se produzcan.

Simulación de pulso de amenaza

En ocasiones, el pulso de amenaza se simula de forma reproducible. Este pulso puede reproducirse a baja energía para caracterizar la respuesta del sujeto antes de la inyección de una onda sinusoidal amortiguada, o a alta energía para recrear las condiciones reales de la amenaza. Un simulador de ESD a pequeña escala puede ser portátil. Los simuladores de sobremesa o de habitación presentan diversos diseños, según el tipo y el nivel de amenaza que se desee generar.

En el extremo superior de la escala, varios países han construido grandes instalaciones de prueba al aire libre que incorporan simuladores EMP de alta energía. [ 20 ] [ 21 ] Las instalaciones más grandes pueden probar vehículos completos, incluidos barcos y aeronaves, para determinar su susceptibilidad a EMP. Casi todos estos grandes simuladores EMP utilizaron una versión especializada de un generador Marx . [ 20 ] [ 21 ] Ejemplos incluyen el enorme simulador ATLAS-I de estructura de madera (también conocido como TRESTLE) en los Laboratorios Nacionales Sandia , Nuevo México, que en su momento fue el simulador EMP más grande del mundo. [ 22 ] Los documentos sobre este y otros grandes simuladores EMP utilizados por los Estados Unidos durante la última parte de la Guerra Fría , junto con información más general sobre pulsos electromagnéticos, se encuentran ahora bajo el cuidado de la Fundación SUMMA, que tiene su sede en la Universidad de Nuevo México. [ 23 ] [ 24 ] La Armada de los Estados Unidos también tiene una gran instalación llamada Simulador Ambiental de Radiación de Pulso Electromagnético para Buques I (EMPRESS I).

Seguridad

Las señales EMP de alta intensidad pueden representar una amenaza para la seguridad humana. En tales circunstancias, debe evitarse el contacto directo con un conductor eléctrico activo. Si esto ocurre, por ejemplo, al tocar un generador Van de Graaff u otro objeto con alta carga eléctrica, se debe tener cuidado de soltar el objeto y luego descargar el cuerpo a través de una resistencia alta, para evitar el riesgo de una descarga eléctrica peligrosa al alejarse.

Las intensidades de campo eléctrico muy elevadas pueden provocar la ruptura del aire y el flujo de una corriente de arco potencialmente letal similar a la de un rayo, pero las intensidades de campo eléctrico de hasta 200 kV/m se consideran seguras. [ 25 ]

Según una investigación de Edd Gent, un informe de 2019 del Electric Power Research Institute , financiado por compañías eléctricas, concluyó que un ataque EMP de gran magnitud probablemente causaría apagones regionales , pero no un fallo de la red eléctrica a nivel nacional, y que los tiempos de recuperación serían similares a los de otros apagones a gran escala. [ 26 ] Se desconoce la duración de estos apagones y la magnitud de los daños en todo el país. Es posible que los países vecinos de Estados Unidos también se vean afectados por un ataque de este tipo, dependiendo de la zona y la población objetivo.

Según un artículo de Naureen Malik, teniendo en cuenta el creciente éxito de las pruebas de misiles y ojivas de Corea del Norte, el Congreso de los Estados Unidos decidió renovar la financiación de la Comisión para Evaluar la Amenaza para los Estados Unidos de un Ataque de Pulso Electromagnético como parte de la Ley de Autorización de Defensa Nacional . [ 27 ]

Según una investigación de Yoshida Reiji, en un artículo de 2016 para la organización sin fines de lucro Center for Information and Security Trade Control, con sede en Tokio , Onizuka advirtió que un ataque EMP a gran altitud dañaría o destruiría los sistemas de energía, comunicaciones y transporte de Japón , además de inhabilitar bancos, hospitales y centrales nucleares . [ 28 ]

Para 1981, varios artículos sobre pulsos electromagnéticos en la prensa popular difundieron el conocimiento del fenómeno EMP en la cultura popular . [ 29 ] [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ] Posteriormente, el EMP se ha utilizado en una amplia variedad de ficción y otros aspectos de la cultura popular. Los medios de comunicación populares a menudo representan los efectos del EMP de forma incorrecta, lo que causa malentendidos entre el público e incluso los profesionales. Algunas ideas erróneas comunes incluyen que todos los vehículos en movimiento dejarán de funcionar, o incluso que todos los tipos de dispositivos electrónicos fallarán. En los EE. UU. se han realizado esfuerzos oficiales para corregir estas ideas erróneas. [ 33 ] [ 34 ] [ 35 ]

Véase también

Referencias

Citas

  1. ↑ Manual de habilidades básicas y de despliegue de la Real Fuerza Aérea (AP 3242B, VOL. 5, ABREVIATURAS)
  2. ↑ Informe sobre la mitigación de pulsos electromagnéticos (EMP) y perturbaciones geomagnéticas (GMD) . Departamento de Energía de los Estados Unidos. 2016.
  3. ↑ "El DHS combate un posible ataque de pulso electromagnético (EMP)" . Departamento de Seguridad Nacional . 3 de septiembre de 2020. Consultado el 3 de mayo de 2021 .
  4. ↑ Weiss, Matthew; Weiss, Martin (29 de mayo de 2019). "Una evaluación de las amenazas a la red eléctrica estadounidense" . Energía, sostenibilidad y sociedad . 9 (1): 18. doi : 10.1186/s13705-019-0199-y . ISSN 2192-0567 . 
  5. ↑ Barna, IF (2014). "Soluciones de ondas de choque autosimilares de las ecuaciones no lineales de Maxwell" . Laser Physics . 24 (8) 086002. arXiv : 1303.7084 . Bibcode : 2014LaPhy..24h6002B . doi : 10.1088/1054-660X/24/8/086002 .
  6. ↑ Close, S.; Colestock, P.; Cox, L.; Kelley, M.; Lee, N. (2010). "Pulsos electromagnéticos generados por impactos de meteoroides en naves espaciales" . Journal of Geophysical Research . 115 (A12): A12328. Bibcode : 2010JGRA..11512328C . doi : 10.1029/2010JA015921 .
  7. ↑ Chandler, Charles. "Explosiones atmosféricas meteóricas: principios generales" . Blog de QDL . Consultado el 30 de diciembre de 2014 .
  8. ↑ "EMPACT America, Inc. – Solar EMP" . 26 de julio de 2011. Archivado del original el 26 de julio de 2011. Consultado el 23 de noviembre de 2015 .
  9. ↑ Howard, J.; Uman, MA; Biagi, C.; Hill, D.; Rakov, VA; Jordan, DM (2011). "Formas de onda derivadas del campo eléctrico del paso del líder cercano del rayo medidas" (PDF) . Journal of Geophysical Research . 116 (D8): D08201. Bibcode : 2011JGRD..116.8201H . doi : 10.1029/2010JD015249 .
  10. ↑ "Introducción básica a los efectos y la protección contra rayos" (PDF) . weighting-systems.com. Archivado del original (PDF) el 15 de noviembre de 2015. Consultado el 8 de septiembre de 2015 .
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  14. ↑ Glasstone & Dolan 1977 , Capítulo 11, sección 11.73.
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  34. ↑ Comando Espacial de la Fuerza Aérea, Hollywood contra EMP , Manitou Motion Picture Company, 2009 (no disponible para el público en general).
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Fuentes

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  • TRESTLE: Un hito de la Guerra Fría , un cortometraje documental en el sitio web de la Fundación SUMMA.