Hablando en serio sobre la amenaza de las detonaciones nucleares a gran altura

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Aurora Borealis es el término científico que se le da al fenómeno de luz natural de la aurora boreal. El 9 de julio de 1962, el fenómeno de la luz que observaron los hawaianos fue todo menos natural. Ese día, la Comisión de Energía Atómica, en colaboración con la Agencia de Apoyo Atómico de Defensa, detonó un dispositivo termonuclear en órbita terrestre baja. La prueba recibió el nombre en código de Starfish Prime y reveló una lección desafortunada: incluso una detonación nuclear a gran altura es particularmente efectiva para destruir satélites. No solo se destruyeron los satélites en la línea de visión, sino que incluso los satélites en el otro lado de la Tierra resultaron dañados y quedaron inoperables. Starfish Prime dañó o destruyó aproximadamente un tercio de todos los satélites en órbita terrestre baja en ese momento.

La comercialización en curso del espacio con electrónica a granel rentable presenta un objetivo tentador para las naciones con una desventaja espacial mucho antes de que un conflicto pueda escalar a un intercambio nuclear. Por lo tanto, el Departamento de Defensa debe tomarse en serio la planificación y la lucha contra la amenaza de detonaciones nucleares a gran altura, comenzando con sus diversas organizaciones de financiación de ciencia y tecnología.

Para hacerlo, el Departamento de Defensa debe considerar desarrollar una cartera de investigación coherente con supervisión consolidada que apunte a maximizar la capacidad de supervivencia de los satélites militares y comerciales de la radiación de partículas cargadas. La cartera debe centrarse en la caracterización rápida del entorno de radiación espacial, la difusión de esta información para las contramedidas de los satélites, la vectorización de partículas cargadas en exceso fuera de la órbita y la continuación de la subvención de la comercialización en curso de componentes electrónicos resistentes a la radiación.

La amenaza de explosiones nucleares en el espacio se margina porque la potencia de sus efectos no se conoce ampliamente y se supone que la probabilidad de un ataque nuclear en el espacio es insignificante. A pesar de este escepticismo, los planificadores de guerra deberían reconocer que el creciente número de satélites en el espacio puede cambiar las estructuras de incentivos para desactivarlos en algún tipo de ataque nuclear. La dinámica de la escalada tampoco es sencilla. El uso de un arma nuclear en el espacio puede no invitar a una respuesta nuclear. Esto significa que la forma tradicional de disuadir el uso nuclear, la amenaza de represalias catastróficas, puede no ser tan sencilla como muchos piensan. En conjunto, existe un amplio incentivo para explorar cómo hacer que la infraestructura estadounidense en el espacio sea más resistente a esta amenaza en curso.

Lecciones aprendidas de las pruebas nucleares

El período desde la década de 1940 hasta principios de la de 1960 fue una bonanza para las pruebas nucleares en todas las configuraciones y ubicaciones exóticas imaginables. Aproximadamente el 84 por ciento del rendimiento total de todas las pruebas nucleares fue detonado en la atmósfera de la Tierra durante este período de tiempo. Menos conocidas son las escasas series de pruebas nucleares que Estados Unidos llevó a cabo bajo el agua ya gran altura. La Operación Crossroads en 1946 detonó varias armas nucleares bajo el agua para probar su eficacia contra barcos y submarinos, pero los resultados revelaron que las explosiones dispersaron agua radiactiva en el aire que llovió sobre cada barco con el área de dispersión sin destruir muchos barcos.

La prueba Starfish Prime, por el contrario, sorprendió a todos con la eficacia de una explosión nuclear exoatmosférica para destruir satélites. El ganador del Premio Nobel Glenn Seaborg, co-descubridor del plutonio y presidente de la Comisión de Energía Atómica de 1961 a 1971, escribió que, "Para nuestra gran sorpresa y consternación, resultó que Starfish se sumó significativamente a los electrones en los cinturones de Van Allen. Esto El resultado contravino todas nuestras predicciones". Aún más sorprendente fue que el primer satélite comercial de comunicaciones del mundo, Telstar, se lanzó el día después de la prueba Starfish Prime y aún sufrió daños operativos significativos debido a la radiación residual. Telstar duró solo ocho meses hasta que dejó de responder en febrero de 1963 debido a daños en la electrónica. Por estas razones, junto con la preocupación por el aumento de la radiación ambiental, las naciones del mundo decidieron que las pruebas de armas nucleares tanto bajo el agua como en el espacio eran malas ideas y prohibieron tales actividades con el Tratado de Prohibición Limitada de Pruebas que Estados Unidos ratificó el 5 de agosto. 1963.

Satélites blandos

Los cinturones de radiación de Van Allen realizan una tarea crucial de barrer las partículas cargadas del sol lejos de la Tierra para crear un escudo contra la radiación de partículas cargadas desde la órbita terrestre baja hasta la superficie (por debajo de los 1000 kilómetros de altitud). Los satélites lanzados por encima de la órbita terrestre baja se enfrentan a un entorno de radiación más duro y están endurecidos electrónicamente para soportar el bombardeo constante de partículas cargadas. Las unidades eléctricas base de los satélites son típicas de toda la electrónica, como resistencias, conductores, diodos, transformadores y memoria. En general, estos componentes eléctricos transfieren energía, realizan operaciones lógicas y transmiten información a través de partes del espectro electromagnético mientras funcionan en condiciones cercanas al vacío con un fondo de radiación mayor que en la Tierra.

Sin embargo, los satélites comerciales en órbita terrestre baja aprovechan al máximo la radiación de partículas reducida y pueden incorporar componentes electrónicos comerciales estándar en sus cargas útiles. El uso de estos componentes reduce drásticamente los costos. El endurecimiento por radiación de los componentes electrónicos se está volviendo más rentable y compacto, pero históricamente esta práctica hace que el precio de los componentes aumente aproximadamente entre 10 y 100 veces, al tiempo que aumenta potencialmente el tamaño y la masa de la carga útil total.

Los satélites militares son sustancialmente más caros que los satélites comerciales porque normalmente están diseñados para un mayor nivel de dureza electrónica, independientemente de la altitud orbital que aumenta su resistencia a los períodos de intensa actividad solar. La tendencia en el desarrollo de la carga útil espacial para la órbita terrestre baja es lanzar pequeños satélites, como CubeSats, que utilizan microelectrónica de baja potencia que funcionan solo durante meses o unos pocos años antes de salir de órbita y ser reemplazados por su sucesor mejorado. Esta tendencia no significa que los satélites pequeños deban considerarse atribuibles. Es muy costoso transportar satélites al espacio en cohetes. CubeSats puede ser asequible de fabricar, pero lanzarlos sigue siendo costoso. Los tiempos de reemplazo desde la fabricación hasta la órbita son al menos de varios meses a años, incluso para satélites pequeños más cercanos a la Tierra. Por lo tanto, los menores costos de fabricación de los satélites no son inmunes al uso potencial de la detonación nuclear a gran altura.

El Departamento de Defensa depende en gran medida del espacio para transmitir datos en todo el mundo y utiliza estos datos para organizar la planificación de la guerra. Tome la guerra actual entre Rusia y Ucrania como un ejemplo de la importancia del espacio para la planificación de la guerra. Al comienzo de la invasión, las fuerzas rusas atacaron la infraestructura terrestre de Internet y telefonía móvil de Ucrania, lo que redujo en gran medida la capacidad de Kiev para mantener un comando y control efectivos en el frente junto con la transmisión de información básica a la población. Afortunadamente, el proyecto Starlink, una constelación en desarrollo de pequeños satélites en órbita terrestre baja que ofrece acceso a Internet de alta velocidad, tenía la capacidad de proporcionar conectividad a Internet a la mayor parte de las fuerzas de Ucrania.

Actualmente hay más de 10 000 terminales terrestres Starlink en Ucrania, que brindan Internet a más de 150 000 personas. Las fuerzas armadas ucranianas tienen acceso a un sólido servicio de Internet basado en satélites que es difícil de interrumpir para Rusia, en ausencia de apuntar a los propios satélites. Este caso reciente muestra cómo los activos espaciales proporcionan productos de información invaluables independientemente de su ubicación.

Nuke Space, Nuke la economía

Para apuntar a estos satélites, un adversario debe tener armas nucleares y misiles de largo alcance. Esto reduce la lista de posibles agresores, pero la lista incluye a Rusia, China y Corea del Norte. Si bien el uso de armas nucleares es cada vez mayor, una explosión en el espacio tendría un impacto económico devastador en los Estados Unidos. También degradaría los activos basados ​​en el espacio que el Departamento de Defensa utiliza para mando y control.

Una explosión nuclear en el espacio perjudica de manera desproporcionada a los Estados Unidos como el mayor inversionista individual en capacidades espaciales. Estados Unidos obtiene casi $ 200 mil millones por año de producción bruta real de sus activos espaciales. Aunque los satélites militares están diseñados para soportar un entorno de partículas cargadas más duro, el endurecimiento por radiación no es una capa mágica de invencibilidad. Los activos espaciales militares se degradarán con el tiempo debido al cinturón de radiación amplificado artificialmente creado a partir de la detonación nuclear, mientras que los satélites comerciales en órbita terrestre baja serán los primeros en fallar al pasar continuamente a través de estos puntos calientes de partículas. La mayoría de los satélites con una línea de visión a la detonación nuclear serán destruidos por los rayos X resultantes. Las capacidades espaciales militares para mando y control, junto con los activos de reconocimiento, pueden seguir funcionando durante un período posterior a la detonación, pero el impacto económico de los productos espaciales de información degradados será inmediato.

Nuking Satellites es escalatorio, pero la respuesta no es directa

Apuntar al espacio con un arma termonuclear invita a una represalia significativa, pero no necesariamente a una respuesta nuclear. Una vez que una nación adversaria con desventaja en capacidades espaciales detona un arma nuclear en este dominio, no hay ningún beneficio en responder con un ataque similar. Esta ley degradaría aún más los activos basados ​​en el espacio. El uso de un arma antisatélite basada en tierra no tiene el mismo efecto. Está intercambiando un misil por un satélite, lo que no equivale a la destrucción de un arma nuclear.

La nación atacada, entonces, debe considerar responder con armas convencionales o nucleares en la Tierra. Atacar ciudades e instalaciones militares con armas nucleares no es una respuesta en especie a la acción inicial de bombardear el espacio y representa otra escalada significativa en el conflicto. Los bienes espaciales no están a la altura de las vidas humanas. Además, la nación atacante también tendrá armas nucleares en reserva y, con la combinación adecuada de fuerzas, puede mantener los objetivos en riesgo. Por lo tanto, la nación atacada tendría que sopesar la escalada al uso de armas nucleares, sabiendo que invitaría a una respuesta nuclear en objetivos en la patria. La respuesta obvia es señalar que el uso de armas nucleares en el espacio sería tratado como un ataque nuclear en la Tierra, pero una nación adversaria podría considerar que tal amenaza no es creíble.

Una nación también puede verse disuadida de actuar porque todas las naciones del mundo dependen en algún grado de los productos espaciales. Por lo tanto, usar un arma nuclear en el espacio sería "autolesionarse". Sin embargo, como revela la historia de la guerra, las naciones eligen autolesionarse, como cuando derrumban sus propios puentes y queman campos, para evitar que un invasor gane terreno. Las armas nucleares están en el pináculo de la escalada de amenazas, por lo que el uso de una es una señal de desesperación con la disminución de las opciones alternativas.

Invertir en tecnologías de mitigación

La mitigación del riesgo actual de la amenaza de detonaciones nucleares a gran altura se centra miopemente en el endurecimiento de la radiación de la electrónica, que es insuficiente, y simplemente finge que la probabilidad de ataque es cercana a cero. El Departamento de Defensa debe vigorizar los esfuerzos para contrarrestar la amenaza de las detonaciones nucleares a gran altura y reconocer que la comercialización en curso del espacio conducirá a una dependencia aún mayor de las plataformas de órbita terrestre baja que seguirán siendo vulnerables a las salidas de partículas cargadas de las explosiones nucleares.

La línea de utilidad entre las cargas útiles espaciales militares y comerciales seguirá desdibujándose. El endurecimiento por radiación de todas las cargas útiles no será económicamente factible a menos que las prácticas de endurecimiento se vuelvan omnipresentes en los componentes comerciales. El reconocimiento de esta amenaza no es novedoso y no debería sorprendernos. La Agencia de Reducción de Amenazas de Defensa realizó un estudio detallado de este tema que sigue siendo válido en la actualidad. Sin embargo, el popurrí de programas técnicos diseñados para mitigar la amenaza a los activos espaciales de las detonaciones nucleares a gran altura no ha sido debidamente financiado. El Departamento de Defensa debe iniciar una cartera concertada de investigación y desarrollo para mitigar esta amenaza al garantizar que la mayor cantidad de activos espaciales, tanto comerciales como militares, sobrevivan a una detonación nuclear a gran altura en lugar de centrarse solo en unos pocos activos militares reforzados. Suponiendo que un adversario pueda lanzar un arma nuclear al espacio sin oposición, las siguientes áreas de enfoque no provocativas pueden resultar útiles para dividir los esfuerzos de investigación.

Primero, desarrollar sensores de radiación que brinden una evaluación rápida del entorno espacial posterior a la detonación para mapear franjas de radiación dañina debido a partículas cargadas atrapadas en los cinturones de Van Allen. Los componentes comerciales para aplicaciones espaciales para caracterizar electrones de alta energía, rayos X y dosis total ya están disponibles para su compra.

En segundo lugar, investigue y diseñe un sistema para transmitir información de satélite a satélite sobre el entorno de radiación peligrosa para que los satélites individuales puedan intentar maniobras evasivas (cambio de órbita) o simplemente entrar en un modo de baja potencia para una parte de sus órbitas para mejorar la capacidad de supervivencia.

En tercer lugar, sistemas de satélites avanzados diseñados específicamente para eliminar el exceso de partículas cargadas de los cinturones de Van Allen desviando las partículas de regreso a la atmósfera. Dichos sistemas aún son exploratorios, pero utilizan ondas de radio de baja frecuencia para desviar las partículas cargadas fuera de la línea del campo magnético. Al desenergizar constantemente las órbitas amplificadas con el tiempo, esta acción evita daños prolongados a los satélites, como el ejemplo de Telstar, al reducir la dosis total de radiación.

Finalmente, el Departamento de Defensa debe continuar los esfuerzos de investigación de endurecimiento por radiación, pero con un enfoque en el avance de componentes comerciales endurecidos que sean económicamente viables y reemplazos ubicuos de la electrónica estándar diseñada para los bajos niveles de radiación que se encuentran en la superficie de la Tierra.

Las dos organizaciones de investigación y desarrollo más adecuadas para defender estos esfuerzos con orquestación son la Agencia de Reducción de Amenazas de Defensa y el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea debido a sus acciones existentes en la lucha contra las armas de destrucción masiva y el avance de los sistemas espaciales, respectivamente. Sin embargo, la misión de contrarrestar las detonaciones nucleares a gran altura se extiende a ambos lados de las áreas de empuje, de modo que cada uno podría mirar al otro para tomar la iniciativa. Varias organizaciones adicionales también son capaces de liderar estos esfuerzos de desarrollo, para incluir la Administración Nacional de Seguridad Nuclear y la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa. El primer paso para contrarrestar esta amenaza es simplemente asignar una organización del Departamento de Defensa para que tome la iniciativa e inicie la primera fase del proceso de programación, planificación, presupuesto y ejecución.

La posibilidad de que las armas nucleares a gran altura apunten a activos espaciales no es una amenaza nueva, pero históricamente se descarta. La naturaleza de orbitar alrededor de la Tierra significa que los activos espaciales están periódicamente expuestos en patrones altamente predecibles. De hecho, lanzar un arma nuclear a la órbita terrestre baja es un desafío de ingeniería más fácil para una nación como Corea del Norte que apuntar a los Estados Unidos continentales porque la ojiva del misil tiene que sobrevivir al arrastre y al calor del reingreso atmosférico. Los activos espaciales no son solo objetivos tentadores, sino que se vuelven más provocativos con cada operación militar apoyada. Por lo tanto, el Departamento de Defensa necesita formar un plan coherente de investigación y desarrollo con un líder dedicado para defender la misión de contrarrestar las detonaciones nucleares a gran altura.

El teniente coronel "Tony" Vincent es un científico en servicio activo en la Fuerza Aérea de los Estados Unidos y actualmente es el Director de Cursos de Física Avanzada en la Academia de la Fuerza Aérea. Recibió un Doctorado en Filosofía en Física Atmosférica de la Universidad de Oxford, una Maestría en Arte y Ciencias Operacionales Militares del Air Command and Staff College y una Maestría en Física Aplicada del Instituto de Tecnología de la Fuerza Aérea. El teniente coronel Vincent también fue Gerente del Programa de Amenazas Nucleares en la Agencia de Reducción de Amenazas de Defensa y líder óptico del tercer equipo de despliegue con el proyecto AngelFire en la Operación Libertad Iraquí. Las opiniones aquí son las del autor y no representan las de la Fuerza Aérea de los EE. UU., el Departamento de Defensa de los EE. UU. o cualquier parte del gobierno de los EE. UU.

Imagen: Archivo de Armas Nucleares