Un pulso electromagnético ( EMP ), también llamado a veces perturbación electromagnética transitoria, es una breve ráfaga de energía electromagnética . El origen de un pulso de este tipo puede ser un hecho natural o producido por el hombre y puede ocurrir como un campo irradiado , eléctrico o magnético o una corriente eléctrica conducida , dependiendo de la fuente.
La interferencia EMP es generalmente perjudicial o dañina para los equipos electrónicos, y a niveles de energía más altos, un evento EMP poderoso, como un rayo, puede dañar objetos físicos como edificios y estructuras de aviones. La gestión de los efectos EMP es una rama importante de la ingeniería de compatibilidad electromagnética (EMC).
Se han desarrollado armas para producir los efectos dañinos de la EMP de alta energía. Según una investigación del Departamento de Seguridad Nacional de los Estados Unidos , las armas EMP tienen el potencial de interrumpir la infraestructura crítica desprotegida dentro de los Estados Unidos y podrían afectar a millones en gran parte del país. [1] Existe preocupación por la amenaza EMP, pero no hay una predicción precisa sobre cuántas personas enfrentarán daños masivos por este ataque.
Según la investigación de Martin y Mathew Weiss, de los escenarios que podrían conducir al colapso de la red eléctrica, EMP ha recibido la mayor atención pública. [2] La posibilidad de amenaza de un ataque EMP ha crecido más como una posibilidad que en el pasado, cuando no se veía como una amenaza entrante para los Estados Unidos.
Características generales
Un pulso electromagnético es una pequeña oleada de energía electromagnética. Su corta duración significa que se distribuirá en un rango de frecuencias. Las legumbres se caracterizan típicamente por:
- El modo de transferencia de energía (radiada, eléctrica, magnética o conducida).
- El rango o espectro de frecuencias presentes.
- Forma de onda de pulso: forma, duración y amplitud.
Los dos últimos, el espectro de frecuencia y la forma de onda del pulso, están interrelacionados mediante la transformada de Fourier, que describe cómo las formas de onda de los componentes pueden sumarse al espectro de frecuencia observado.
Tipos de energia
La energía EMP se puede transferir de cuatro formas:
Según las ecuaciones de Maxwell , un pulso de energía eléctrica siempre irá acompañado de un pulso de energía magnética. En un pulso típico, dominará la forma eléctrica o magnética.
En general, la radiación solo actúa a largas distancias, y los campos magnético y eléctrico actúan a distancias cortas. Hay algunas excepciones, como una llamarada solar magnética .
Rangos de frecuencia
Un pulso de energía electromagnética generalmente comprende muchas frecuencias desde muy bajas hasta algún límite superior, dependiendo de la fuente. El rango definido como EMP, a veces denominado "DC a la luz del día", excluye las frecuencias más altas que comprenden los rangos óptico (infrarrojo, visible, ultravioleta) e ionizante (rayos X y gamma).
Algunos tipos de eventos EMP pueden dejar un rastro óptico, como relámpagos y chispas, pero estos son efectos secundarios del flujo de corriente a través del aire y no forman parte del EMP en sí.
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 tienden a ser bastante complicados, por lo que a menudo se utilizan modelos simplificados. Este modelo se describe típicamente en un diagrama o como una ecuación matemática.
Pulso rectangular | Pulso doble exponencial | Pulso de onda sinusoidal amortiguado |
La mayoría de los pulsos electromagnéticos tienen un borde de ataque muy afilado, que se acumula rápidamente hasta su nivel máximo. El modelo clásico es una curva doble exponencial que sube abruptamente, alcanza rápidamente un pico y luego decae más lentamente. Sin embargo, los pulsos de un circuito de conmutación controlado a menudo se aproximan a la forma de un pulso rectangular o "cuadrado".
Los eventos EMP generalmente inducen una señal correspondiente en el entorno o material circundante. El acoplamiento suele producirse con mayor intensidad en una banda de frecuencia relativamente estrecha, lo que da lugar a una onda sinusoidal amortiguada característica . Visualmente se muestra 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 normalmente tiene una energía mucho menor y una distribución de frecuencia más estrecha que el pulso original, debido a la característica de transferencia del modo de acoplamiento. En la práctica, el equipo de prueba EMP a menudo inyecta 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 un tren tan regular y repetitivo.
Tipos
Un EMP surge cuando la fuente emite un pulso de energía de corta duración. La energía suele ser de banda ancha por naturaleza, aunque a menudo provoca 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 diferentes tipos de EMP surgen de efectos naturales, artificiales y de armas.
Los tipos de eventos de EMP natural incluyen:
- Pulso electromagnético de rayo (LEMP). La descarga es típicamente un gran flujo de corriente inicial, al menos mega-amperios, seguido de un tren de pulsos de energía decreciente.
- Descarga electrostática (ESD), como resultado de dos objetos cargados que se acercan o incluso hacen contacto.
- EMP meteórico. Descarga de energía electromagnética resultante del impacto de un meteoroide con una nave espacial o de la ruptura explosiva de un meteoroide que atraviesa la atmósfera de la Tierra. [3] [4]
- Eyección de masa coronal (CME), a veces denominada EMP solar. Un estallido de plasma y el campo magnético que lo acompaña, expulsado de la corona solar y liberado en el viento solar . [5]
Los tipos de eventos EMP (civiles) provocados por el hombre incluyen:
- Acción de conmutación de los circuitos eléctricos, ya sea aislada o repetitiva (como un tren de pulsos).
- Los motores eléctricos pueden crear un tren de pulsos a medida que los contactos eléctricos internos hacen y rompen conexiones a medida que gira el inducido.
- Los sistemas de encendido de los motores de gasolina pueden crear un tren de pulsos cuando las bujías se energizan o se encienden.
- Acciones de conmutación continua de circuitos electrónicos digitales.
- Sobretensiones de la línea eléctrica. Estos pueden ser de hasta varios kilovoltios, suficientes para dañar los equipos electrónicos que no están suficientemente protegidos.
Los tipos de EMP militares incluyen:
- Pulso electromagnético nuclear (NEMP), como resultado de una explosión nuclear. Una variante de esto es el EMP nuclear de gran altitud (HEMP), que produce un pulso secundario debido a las interacciones de las partículas con la atmósfera y el campo magnético de la Tierra.
- Armas de pulso electromagnético no nuclear (NNEMP).
Relámpago
Los relámpagos son inusuales en el sentido de que típicamente tienen una descarga "líder" preliminar de baja energía acumulada hasta el pulso principal, que a su vez puede ser seguido a intervalos por varias ráfagas más pequeñas. [6] [7]
Descarga electrostática (ESD)
Los eventos ESD se caracterizan por altos voltajes de muchos kV pero pequeñas corrientes y, en ocasiones, provocan chispas visibles. La ESD se trata como un fenómeno pequeño y localizado, aunque técnicamente un relámpago es un evento de ESD muy grande. Las descargas electrostáticas también pueden ser provocadas por el hombre, como en la descarga recibida de un generador de Van de Graaff .
Un evento de ESD puede dañar los circuitos electrónicos al inyectar un pulso de alto voltaje, además de dar a las personas una descarga desagradable. Un evento de ESD de este tipo también puede crear chispas, que a su vez pueden encender incendios o explosiones de vapor de combustible. Por esta razón, antes de repostar una aeronave o exponer cualquier vapor de combustible al aire, la boquilla de combustible se conecta primero a la aeronave para descargar de forma segura cualquier estática.
Pulsos de conmutación
La acción de conmutación de un circuito eléctrico crea un cambio brusco en el flujo de electricidad. Este cambio brusco es una forma de EMP.
Las fuentes eléctricas simples incluyen cargas inductivas como relés, solenoides y contactos de escobillas en motores eléctricos. Por lo general, envían un pulso por cualquier conexión eléctrica presente, además de irradiar un pulso de energía. La amplitud suele ser pequeña y la señal puede tratarse como "ruido" o "interferencia". La desconexión o "apertura" de un circuito provoca un cambio brusco en el flujo de corriente. Esto, a su vez, puede provocar un gran pulso en el campo eléctrico a través de los contactos abiertos, provocando arcos eléctricos y daños. A menudo es necesario incorporar características de diseño para limitar tales efectos.
Los dispositivos electrónicos como válvulas o tubos de vacío, transistores y diodos también pueden encenderse y apagarse muy rápidamente, causando problemas similares. Los pulsos únicos pueden ser causados por interruptores de estado sólido y otros dispositivos que se usan solo ocasionalmente. Sin embargo, los muchos millones de transistores en una computadora moderna pueden cambiar repetidamente a frecuencias superiores a 1 GHz, causando interferencias que parecen ser 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 que cambian rápidamente resultantes pueden acoplarse con sistemas eléctricos / electrónicos para producir picos de voltaje y corriente dañinos . [8]
La intensa radiación gamma emitida también puede ionizar el aire circundante, creando un EMP secundario ya que los átomos de aire primero pierden sus electrones y luego los recuperan.
Las armas NEMP están diseñadas para maximizar los efectos EMP como el mecanismo de daño primario, y algunas son capaces de destruir equipos electrónicos susceptibles en un área amplia.
Un arma de pulso electromagnético de gran altitud (HEMP) es una ojiva NEMP diseñada para detonarse muy por encima de la superficie de la Tierra. 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 de la Tierra para producir un EMP mucho más fuerte que el que normalmente se produce en el aire más denso a altitudes más bajas.
Pulso electromagnético no nuclear (NNEMP)
El pulso electromagnético no nuclear (NNEMP) es un pulso electromagnético generado por armas sin el uso de tecnología nuclear. Los dispositivos que pueden lograr este objetivo incluyen un gran banco de condensadores de baja inductancia descargado en una antena de bucle único, un generador de microondas y un generador de compresión de flujo bombeado explosivamente . Para lograr las características de frecuencia del pulso necesarias para un acoplamiento óptimo en el objetivo, se agregan circuitos de forma de onda o generadores de microondas entre la fuente de pulso y la antena . Los vircadores son tubos de vacío que son especialmente adecuados para la conversión por microondas de pulsos de alta energía. [9]
Los generadores NNEMP pueden transportarse como una carga útil de bombas, misiles de crucero (como el misil CHAMP ) y drones , con efectos de radiación ionizantes, térmicos y mecánicos disminuidos, pero sin las consecuencias del despliegue de armas nucleares.
La gama de armas NNEMP es mucho menor que la EMP nuclear. Casi todos los dispositivos NNEMP utilizados como armas requieren explosivos químicos como su fuente de energía inicial, produciendo solo 10 -6 (una millonésima) la energía de explosivos nucleares de peso similar. [10] El pulso electromagnético de las armas NNEMP debe provenir del interior del arma, mientras que las armas nucleares generan EMP como efecto secundario. [11] Estos hechos limitan el alcance de las armas NNEMP, pero permiten una discriminación de objetivos más precisa. El efecto de las bombas electrónicas pequeñas ha demostrado ser suficiente para determinadas operaciones terroristas o militares. [ cita requerida ] Ejemplos de tales operaciones incluyen la destrucción de sistemas de control electrónico críticos para la operación de muchos vehículos terrestres y aeronaves. [12] [ cita (s) adicional (es) necesarias ]
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, [13] pero las naciones mantuvieron el trabajo en EMP no nuclear clasificado hasta que surgieron ideas similares en otros países. naciones.
Formación electromagnética
Las grandes fuerzas generadas por pulsos electromagnéticos se pueden utilizar para dar forma a objetos como parte de su proceso de fabricación.
Efectos
Los eventos menores de EMP, y especialmente los trenes de pulsos, causan niveles bajos de ruido eléctrico o interferencias que pueden afectar el funcionamiento de dispositivos susceptibles. Por ejemplo, un problema común a mediados del siglo XX fue la interferencia emitida por los sistemas de encendido de los motores de gasolina, lo que provocó que los aparatos de radio crujieran y los televisores mostraran rayas en la pantalla. Se introdujeron leyes para que los fabricantes de vehículos instalen supresores de interferencias.
A un nivel de alto voltaje, un EMP puede inducir una chispa, por ejemplo, de una descarga electrostática cuando se alimenta un vehículo con motor de gasolina. Se sabe que tales chispas causan explosiones de aire y combustible y se deben tomar precauciones para evitarlas. [14]
Un EMP grande y enérgico puede inducir altas corrientes y voltajes en la unidad víctima, interrumpiendo temporalmente su función o incluso dañándola permanentemente.
Un EMP potente también puede afectar directamente a los materiales magnéticos y corromper los datos almacenados en medios como cintas magnéticas y discos duros de computadoras . Los discos duros suelen estar protegidos por carcasas de metal pesado. Algunos proveedores de servicios de disposición de activos de TI y recicladores de computadoras utilizan un EMP controlado para limpiar dichos medios magnéticos. [15]
Un evento EMP muy grande, como el impacto de un rayo, también es capaz de dañar objetos como árboles, edificios y aviones directamente, ya sea a través de efectos de calentamiento o los efectos disruptivos del campo magnético muy grande generado por la corriente. Un efecto indirecto pueden ser los incendios eléctricos provocados por el calentamiento. La mayoría de las estructuras y sistemas de ingeniería requieren algún tipo de protección contra rayos para ser diseñados.
Los efectos dañinos de EMP de alta energía han llevado a la introducción de armas EMP, desde misiles tácticos con un radio de efecto pequeño hasta bombas nucleares diseñadas para un efecto EMP máximo en un área amplia.
Control
Como cualquier interferencia electromagnética , la amenaza de EMP está sujeta a medidas de control. Esto es cierto ya sea que la amenaza sea natural o provocada por el hombre.
Por lo tanto, la mayoría de las medidas de control se centran en la susceptibilidad del equipo a los efectos EMP y en su endurecimiento o protección contra daños. Las fuentes artificiales, distintas de las armas, también están sujetas a medidas de control para limitar la cantidad de energía de pulso emitida.
La disciplina de asegurar el funcionamiento correcto del equipo en presencia de EMP y otras amenazas de RF se conoce como compatibilidad electromagnética (EMC).
Prueba de simulación
Para probar los efectos de EMP en sistemas y equipos diseñados, se puede utilizar un simulador de EMP.
Simulación de pulso inducido
Los pulsos inducidos tienen una energía mucho menor que los pulsos de amenaza y, por lo tanto, son más factibles de crear, pero son menos predecibles. Una técnica de prueba común es usar una pinza amperimétrica en reversa, para inyectar un rango de señales de onda sinusoidal amortiguadas en un cable conectado al equipo bajo prueba. El generador de onda sinusoidal amortiguada es capaz de reproducir el rango de señales inducidas que pueden ocurrir.
Simulación de pulso de amenaza
A veces, el pulso de amenaza en sí se simula de forma repetible. El pulso puede reproducirse a baja energía para caracterizar la respuesta de la víctima antes de la inyección de onda sinusoidal amortiguada, o a alta energía para recrear las condiciones reales de amenaza.
Se puede sostener un simulador de ESD a pequeña escala .
Los simuladores del tamaño de un banco o una sala vienen en una variedad de diseños, dependiendo del tipo y nivel de amenaza que se generará.
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. [16] [17] 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 de Marx . [16] [17]
Los ejemplos incluyen el enorme simulador ATLAS-I con estructura de madera (también conocido como TRESTLE) en Sandia National Labs , Nuevo México, que fue en un momento el simulador EMP más grande del mundo. [18] Los artículos 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, están ahora a cargo de la Fundación SUMMA, que se encuentra alojada en la Universidad. de Nuevo México. [19] [20] La Marina de los EE. UU. También tiene una gran instalación llamada Simulador ambiental de radiación de pulso electromagnético para barcos I (EMPRESS I).
Seguridad
Las señales EMP de alto nivel pueden representar una amenaza para la seguridad humana. En tales circunstancias, debe evitarse el contacto directo con un conductor eléctrico activo. Cuando esto ocurra, como cuando se toca un generador Van de Graaf u otro objeto muy cargado, se debe tener cuidado de soltar el objeto y luego descargar el cuerpo a través de una alta resistencia, para evitar el riesgo de un pulso de choque dañino cuando apartándose.
Las intensidades de campo eléctrico muy altas pueden causar la ruptura del aire y una corriente de arco potencialmente letal similar al flujo de un rayo, pero las intensidades de campo eléctrico de hasta 200 kV / m se consideran seguras. [21]
Según una investigación de Edd Gent, un informe de 2019 del Instituto de Investigación de Energía Eléctrica , que está financiado por empresas de servicios públicos, encontró que tal ataque probablemente causaría apagones regionales pero no una falla de la red a nivel nacional y que los tiempos de recuperación serían similares a los de otras interrupciones a gran escala. [22]
No se sabe cuánto tiempo durarán estos apagones eléctricos causados por un ataque EMP y el alcance de los daños en todo el país.
Según un artículo de Lindsay Marchello, si Corea del Norte detonase un EMP sobre los Estados Unidos, la detonación generaría un campo EMP que cubriría todo el país, Canadá y gran parte de México . Si un apagón a nivel nacional durara un año, se estima que el 90 por ciento moriría. [23]
Es posible que los países vecinos de EE . UU . también podría verse afectado por el ataque, dependiendo del área objetivo y las personas.
Según un artículo de Naureen Malik, teniendo en cuenta las cada vez más exitosas pruebas de misiles y ojivas de Corea del Norte , el Congreso procedió a renovar los fondos para la Comisión para Evaluar la Amenaza a los EE. UU. Por Ataque de Pulso Electromagnético como parte de la Ley de Autorización de Defensa Nacional . [24] Por el momento, Estados Unidos carece de preparación contra un ataque EMP. [ cita requerida ]
Según una investigación de Yoshida Reiji, en un artículo de 2016 para la organización sin fines de lucro con sede en Tokio Center for Information and Security Trade Control, Onizuka advirtió que un ataque EMP a gran altitud dañaría o destruiría los sistemas de energía, comunicaciones y transporte de Japón . como inutilizar bancos, hospitales y centrales nucleares . [25]
Según una investigación de Martin y Mathew Weiss, en testimonio ante un Comité del Congreso , se ha afirmado que un colapso prolongado de la red eléctrica de esta nación, a través del hambre, las enfermedades y el colapso social, podría resultar en la muerte de hasta el 90% de los habitantes. la población estadounidense. [26]
En la cultura popular
Los medios populares a menudo describen los efectos de EMP de manera incorrecta, lo que provoca malentendidos entre el público e incluso entre los profesionales. Se han hecho esfuerzos oficiales en los Estados Unidos para refutar estos conceptos erróneos. [27] [28]
Ver también
- Arma de energía dirigida
- Compatibilidad electromagnética
- Entorno electromagnético
- Guerra electrónica
- Ley de inducción de Faraday
- Tormenta geomagnética
- MIL-STD-461 , un estándar militar de los Estados Unidos que describe cómo probar equipos para compatibilidad electromagnética
- Poder pulsado
- Transitorio (oscilación)
- Pulso ultracorto
Referencias
Citas
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Fuentes
- Glasstone, Samuel ; Dolan, Philip J. (1977). Los efectos de las armas nucleares . Departamento de Defensa de los Estados Unidos y la Administración de Investigación y Desarrollo de Energía .
- Gurevich, Vladimir (2019). Protección de equipos eléctricos: buenas prácticas para prevenir los impactos de pulsos electromagnéticos a gran altitud . Berlín: De Gruyter.
enlaces externos
- TRESTLE: Landmark of the Cold War , un cortometraje documental en el sitio web de la Fundación SUMMA