Un equipo de científicos e ingenieros respaldado por la NASA ha desarrollado un enfoque novedoso para observar partículas de alta energía en el entorno espacial cercano a la Tierra. Este avance incorpora sensores miniaturizados en un instrumento de detección de partículas compacto y de múltiples vistas, sin precedentes. Diseñado para la misión REAL (Relativistic Electron Atmospheric Loss) en CubeSat, este instrumento innovador, también denominado REAL, permite mediciones más completas sobre cómo se transportan y pierden las partículas energéticas dentro del entorno de radiación terrestre. Abre la puerta a una comprensión más profunda de los efectos del clima espacial en la órbita baja y, al mismo tiempo, hace posibles observaciones sin igual para futuras plataformas pequeñas y de bajo costo.
REAL fue desarrollado para su misión en CubeSat y, con su diseño de sensores integrado, ofrece una capacidad de observación que antes requería plataformas mucho más grandes y recursos significativos. Este avance facilita conceptos de misión más complejos y tecnologías asociadas, además de allanar el camino para constelaciones de CubeSats que pueden observar de forma continua el entorno de radiación de la Tierra y contribuir a una mejor protección de los sistemas basados en el espacio que sostiene la sociedad moderna.
Billones de partículas cargadas de alta energía quedan magneticamente atrapadas alrededor de la Tierra en regiones en forma de rosquilla, conocidas como los cinturones Van Allen. Estos cinturones típicamente forman dos zonas: un cinturón interior dominado por protones de alta energía y un cinturón exterior compuesto principalmente por electrones energéticos. En conjunto, representan un peligro persistente para los satélites en órbita terrestre que sustentan la sociedad moderna, incluidos los satélites de GPS y de comunicaciones. El cinturón exterior, en particular, contiene denominados electrones asesinos, partículas lo suficientemente energéticas como para penetrar blindajes satelitales y provocar descargas eléctricas o anomalías operativas.
Durante décadas, los científicos han trabajado para entender y predecir el comportamiento de estos cinturones. No obstante, su naturaleza dinámica, especialmente en el cinturón exterior, complica estos esfuerzos: las poblaciones de electrones energéticos pueden aumentar y luego disminuir rápidamente. En ocasiones, estos electrones se pierden de los cinturones y descienden a la atmósfera en microestallidos de tan solo 100 milisegundos, mientras que en otras ocasiones ocurren eventos que se extienden durante minutos u horas.
“Los partículas de radiación pueden quedar atrapadas en los cinturones de Van Allen durante largos periodos, moviéndose a lo largo de las líneas del campo magnético; pero si alguna interacción las dirige más estrechamente a lo largo de las líneas del campo terrestre, descienden hacia la atmósfera”, explicó Thomas Sotirelis, físico del Johns Hopkins Applied Physics Laboratory, donde se desarrolló el instrumento REAL. Sotirelis es el impulsor original del concepto de sensor de REAL y actúa como científico del instrumento para la misión REAL.
Estos eventos de pérdida, conocidos como precipitación de electrones energéticos (EEP), representan una de las principales formas en que los electrones salen de los cinturones de radiación y juegan un papel importante en su dinámica. Aunque los investigadores han identificado a las ondas plasmáticas como posibles responsables de estos eventos, la física subyacente —por ejemplo, si la dispersión de electrones ocurre gradualmente a través de procesos difusivos o de forma rápida mediante interacciones no lineales— sigue siendo objeto de incertidumbre.
La misión REAL se lanzó con éxito el 23 de julio de 2025. El instrumento puede distinguir entre los modos de pérdida propuestos, lo que permite investigar su importancia relativa y determinar qué ondas, si las hay, son responsables de la caída de electrones. Aprovechando los avances recientes en la miniaturización de sensores, el instrumento cuenta con tres cabezas de sensor —alta, media y baja energía— con dos, cinco y cuatro direcciones de observación simultáneas, integradas con cuatro tarjetas electrónicas. En conjunto, ocupan apenas alrededor de la mitad del CubeSat REAL y ofrecen una resolución temporal suficiente para resolver microestallidos de electrones con energías que van desde 40 keV hasta 2 MeV. A medida que su CubeSat de 3U avanza en LEO, REAL orienta su campo de view a lo largo del campo magnético de la Tierra y puede medir simultáneamente la cantidad, energía y ángulo de las partículas al caer en la atmósfera — una capacidad sin precedentes en su clase.
“La mayoría de los CubeSats solo pueden observar partículas desde una única dirección; por ello deben girar para construir una imagen completa, lo que tarda unos segundos y es demasiado lento para capturar microestallidos”, señaló Robyn Millán, física espacial de Dartmouth College y directora científica de la misión REAL. “Con REAL hemos logrado comprimir tres sensores, cada uno con múltiples direcciones de observación, en la parte superior de este cabezal de 100 por 100 milímetros, permitiéndonos capturar esas mediciones de forma simultánea. Estamos muy orgullosos de ello.”
El cabezal de alta energía utiliza un colimador de aluminio de 30 milímetros de grosor con cuatro orificios, cada uno con una apertura de 20 grados de ángulo de inclinación. Cada apertura conecta con un área activa en un detector de estado sólido (SSD) en la base. El cabezal de energía media emplea una base de SSD pero utiliza cinco áreas activas que se conectan a un colimador de aluminio de 22 milímetros de grosor con cinco aberturas. El cabezal de baja energía es, en cambio, un analizador electrostático miniatura (ESA) compuesto por electrodos de titanio entre ranuras selectoras grabadas en silicio, apoyados sobre una placa de microcanal (MCP). Este cabezal de baja energía ofrece 36 aberturas, dos direcciones de observación (±40 grados) y 15 canales para medir electrones de energías más bajas, de 1 keV a 40 keV.
Las medidas de ángulo de inclinación (pitch-angle) con diferentes direcciones de observación permiten distinguir poblaciones de electrones precipitantes, casi atrapados y atrapados entre sí, en escalas de tiempo de hasta 20 milisegundos. Esto posibilita cuantificar con mayor precisión la tasa de pérdida de electrones y su impacto en la atmósfera terrestre.
De forma igualmente importante, este enfoque demuestra que mediciones que antes requerían misiones grandes y con gran consumo de recursos ahora pueden lograrse con instrumentos compactos y de bajo costo en satélites pequeños. Este cambio facilita conceptos de misión más ambiciosos y abre camino para constelaciones de CubeSats que podrían observar continuamente el entorno de radiación de la Tierra y ayudar a proteger los sistemas basados en el espacio de la sociedad moderna.
Actualmente, los tres cabezales de sensor de REAL siguen funcionando nominalmente y continúan recopilando datos científicos valiosos. De hecho, el equipo REAL ajustó recientemente el instrumento para mejorar su sensibilidad, afinando parámetros como umbrales de detección.
Líderes del proyecto: Dr. Tom Sotirelis, Johns Hopkins Applied Physics Laboratory; Dr. Robyn Millán, Dartmouth College
Organización patrocinadora: NASA Heliophysics Division, programa Heliophysics Flight Opportunities in Research and Technology (H-FORT)
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