Disparar rayos de tormenta como Thor

María Passas Varo, Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC)

El control del clima ha sido siempre uno de los retos más desafiantes de la humanidad y, por qué no decirlo, uno de los más deseados. Entre los desafíos cumplidos está fabricar rayos de tormenta a voluntad, una habilidad que la ciencia y la ingeniería han arrebatado a los dioses.

Ya desde el 2000 a. e. c., en la mitología de casi todas las culturas encontramos deidades que controlan los fenómenos meteorológicos. Entonces eran fenómenos inexplicables e impredecibles, así que no podían tratarse de otra cosa que obras de un ser superior.

Entre los más sonados dioses de los rayos y las tormentas tenemos a Indra en la India; a Júpiter en Roma; a Perun en la cultura eslava; a Perkūnas en el báltico; a Taranis en la cultura celta; a Zeus en la griega; a Tláloc, Illapa y Hurakán en las culturas azteca, inca y maya, y a Thor en la escandinava. Y nos quedamos con este último porque, gracias al universo Marvel, el público general conoce al superhéroe inspirado en la deidad nórdica que cuando golpea su martillo genera rayos a voluntad. Y eso mola mucho.

Lo que no imaginaron en la antigüedad, ni tampoco en Marvel, es que hoy en día disparar rayos a voluntad es una realidad, y no se necesita ningún martillo Mjölnir.

Los rayos de tormenta influyen en el cambio climático

A diferencia de Thor y compañía, el motivo de que en la actualidad se disparen rayos artificiales no es bélico ni destructivo, sino científico y creativo. Hoy, disparamos rayos para poder estudiar y comprender la física, la química y la electrodinámica inherente a los mismos.

Los rayos son descargas violentas de electricidad estática en forma de plasma. Son la principal fuente natural de emisiones de óxidos de nitrógeno a la atmósfera, que son gases indirectos de efecto invernadero. Alcanzan temperaturas altísimas, en torno a los 30 000 K, unas 6 veces más altas que las que encontraríamos en la corona solar.

Con potencias promedio de unos 10 gigavatios, con un rayo de un segundo podríamos encender la ciudad de Nueva York completamente durante 5 segundos seguidos.

No es difícil darse cuenta de lo extremadamente peligrosos que pueden llegar a ser. Estudiarlos nos permitiría saber por qué ocurren, y estimar dónde y cuándo. Además, podremos conocer cómo participan activamente en el cambio climático, cómo influyen en el circuito eléctrico global y en el proceso de convección y cómo están relacionados con el clima extremo.

Los equipos de investigación diseñamos y utilizamos instrumentación de todo tipo, como antenas, sensores, fotómetros y espectrógrafos, tanto terrestres como aéreos y espaciales, que recogen información que permitirá, no solo la caracterización de los rayos, sino también estudiar el comportamiento eléctrico de las tormentas y diseñar equipos de protección adecuados para edificios, aeronaves o aerogeneradores.

La dificultad de predecir dónde va a caer

Pero, claro, los rayos naturales son impredecibles. Resulta imposible vaticinar en qué punto van a impactar, no somos capaces de hacer medidas de manera reiterada que nos permitan analizarlos con una base estadística sólida.

Este inconveniente se supera en cierta forma apuntando los instrumentos de medida a ubicaciones donde es más probable que impacte un rayo, ya sean pararrayos, torres de radio, líneas eléctricas, edificios altos o demás estructuras fijas. Pero, aún así, no se garantiza con seguridad el impacto del rayo, lo que hace que las campañas de observación dependan en gran parte del azar y resulten poco eficientes en cuanto a resultados. Así, necesitamos generar rayos reales de una manera controlada para poder analizarlos como es debido.

Existen varias maneras de generar rayos artificialmente: emitiendo rayos láser a la nube desde la tierra, mediante chorros de agua dirigidos o mediante deflagraciones transitorias hacia la nube. Pero la más utilizada es haciendo uso de cohetes.

Disparar rayos lanzando un cohete

En 1958 comenzaron los primeros experimentos para disparar rayos cortocircuitando nube y tierra. Para ello se utiliza un fino cable de cobre unido a un cohete que lanzamos directo al cumulonimbo.

Los primeros cohetes para disparar rayos se lanzaron en EE. UU desde la goleta Azara y desde el buque de investigación R. V. Thunderbolt cerca de St. Petersbourg, Florida . Después se depuró la técnica y se siguieron haciendo lanzamientos desde Saint-Privat d’Allier, en Francia, donde se disparó el primer rayo artificial, esta vez sobre tierra, en 1975.

Hoy en día, países como EE. UU., China, Japón y Brasil cuentan con instalaciones autorizadas con tráfico aéreo restringido para disparar rayos con cohetes. En estas instalaciones se suelen ubicar varios cohetes en el lugar de lanzamiento con la idea de dispararlos a la vez en condiciones de tormenta.

Normalmente los cohetes se lanzan a 200 m/s tras la ignición. Esta es la velocidad que asegura que el cable se extienda rápidamente y sin romperse.

Los cables suelen ser de cobre o de acero, con un diámetro de unos 0,2 mm, y se enrollan en un carrete que se fija o en el cohete o en el suelo. Se pueden conectar directamente a tierra o también fijarse al suelo a través de varios metros de nailon aislante, de manera que el conductor no queda conectado directamente a tierra. Cuando el cohete intercepta la nube a gran velocidad, se genera un primer rayo que se descarga a través del cable, sublimándolo. Una vez que el canal del plasma ya está iniciado, se suceden rayos naturales aprovechando la ionización de las especies a lo largo del canal.

GALIUS graba 2 millones de imágenes por segundo

En el grupo de Electricidad Atmosférica del Instituto de Astrofísica de Andalucía hemos diseñado, desarrollado y calibrado GALIUS, acrónimo en inglés de GranadA Lightning Ultrafast Spectrograph: el espectrógrafo más rápido del mundo dedicado al análisis de un tipo de plasmas atmosféricos, los rayos.

GALIUS es capaz de grabar el espectro de los rayos a más de 2 millones de imágenes por segundo (una cámara normal graba a 25 imágenes por segundo) lo que nos permite estudiar qué ocurre en su nacimiento, sus etapas iniciales.

Hemos obtenido resultados analizando desde “mini” rayos artificiales de unos 3 cm en nuestro laboratorio, hasta rayos de 1 m disparados en los laboratorios de alta tensión de DENA Desarrollos S.L. en Terrassa, una empresa de referencia en el diseño, fabricación, instalación y control de sistemas para la protección y prevención contra el rayo.

El siguiente paso será ir a medir rayos de tormenta de verdad, disparados en las instalaciones de la Universidad de Florida, en el Camp Blanding International Center for Lightning Research and Testing. Allí podremos analizar rayos naturales con la certeza de conocer de antemano dónde van a caer.

Estas instalaciones, además de la infraestructura necesaria para disparar rayos con cohetes (que se dice pronto), cuentan con sensores de corriente, detectores de campos electromagnéticos, cámaras ultrarrápidas, fotómetros, etc.

La idea es combinar la última tecnología de GALIUS con las medidas de todos estos equipos de manera simultánea, lo que nos permitirá medir gran cantidad de parámetros físicos y químicos en las etapas iniciales del rayo, de una manera directa. Después, podremos correlacionar las distintas variables observacionales medidas para mejorar los modelos predictivos actuales que, fruto de estas campañas experimentales y sistemáticas, cada vez son más precisos.

Y todo esto no sería posible si no fuese por personas que, como Thor, disparan rayos a voluntad, pero sin martillo y con el fin último de seguir desvelando los misterios de la naturaleza.

María Passas Varo, Ingeniera de Telecomunicación, Doctora en Física y Ciencias del Espacio. Especializada en espectroscopía de plasmas atmosféricos, Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC)

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.