Un pulso electromagnético ( EMP ), también conocido como perturbación electromagnética transitoria ( TED ), es una breve explosión de energía electromagnética . El origen de un EMP puede ser natural o artificial, y puede ocurrir como un campo electromagnético , como un campo eléctrico , como un campo magnético o como una corriente eléctrica conducida . La interferencia electromagnética causada por un EMP puede interrumpir las comunicaciones y dañar los equipos electrónicos. Un EMP, como un rayo, puede dañar físicamente objetos como edificios y aviones. La gestión de los efectos EMP es una rama de la ingeniería de compatibilidad electromagnética (EMC).
El primer daño registrado por un pulso electromagnético se produjo con la tormenta solar de agosto de 1859, o el Evento Carrington . [1]
En la guerra moderna, las armas que emiten un pulso EMP de alta energía están diseñadas para interrumpir [2] los equipos de comunicaciones, las computadoras necesarias para operar aviones de combate modernos o incluso dejar fuera de servicio toda la red eléctrica de un país objetivo. [3]
Un pulso electromagnético es una breve oleada de energía electromagnética. Su corta duración significa que se distribuirá en una gama de frecuencias. Las legumbres suelen caracterizarse por:
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 componentes pueden sumar el espectro de frecuencia observado.
La energía EMP se puede transferir en cualquiera 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, en distancias largas sólo actúa la radiación, mientras que en distancias cortas actúan los campos magnético y eléctrico. Hay algunas excepciones, como una llamarada magnética solar .
Un pulso de energía electromagnética normalmente comprende muchas frecuencias desde muy bajas hasta algún límite superior, dependiendo de la fuente. El rango definido como EMP, a veces denominado "CC 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 eventos EMP pueden dejar un rastro óptico, como rayos y chispas, pero estos son efectos secundarios del flujo de corriente a través del aire y no son parte del EMP en sí.
La forma de onda de un pulso describe cómo su amplitud instantánea (intensidad de campo o corriente) cambia con el tiempo. Los pulsos reales tienden a ser bastante complicados, por lo que a menudo se utilizan modelos simplificados. Un modelo de este tipo normalmente se describe en un diagrama o como una ecuación matemática.
La mayoría de los pulsos electromagnéticos tienen un borde de ataque muy agudo y aumentan 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 fuerza 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 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 amenazantes de alta energía.
En un tren de impulsos, como el de un circuito de reloj digital, la forma de onda se repite a intervalos regulares. Un único ciclo de pulso completo es suficiente para caracterizar un tren tan regular y repetitivo.
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 excita 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 EMP naturales incluyen:
Los tipos de eventos EMP (civiles) creados por el hombre incluyen:
Los tipos de EMP militares incluyen:
Los relámpagos son inusuales porque típicamente tienen una descarga "líder" preliminar de baja energía que se acumula hasta el pulso principal, que a su vez puede ser seguido a intervalos por varias ráfagas más pequeñas. [7] [8]
Los eventos de ESD se caracterizan por altos voltajes de muchos kV, pero pequeñas corrientes a veces causan chispas visibles. La ESD se trata como un fenómeno pequeño y localizado, aunque técnicamente un relámpago es un evento de ESD muy grande. La ESD también puede ser provocada por el hombre, como en el caso de la descarga recibida de un generador Van de Graaff .
Un evento de ESD puede dañar los circuitos electrónicos al inyectar un pulso de alto voltaje, además de provocar una descarga desagradable a las personas. Un evento de ESD de este tipo también puede generar chispas, que a su vez pueden provocar incendios o explosiones de vapores de combustible. Por esta razón, antes de repostar combustible a una aeronave o exponer cualquier vapor de combustible al aire, primero se conecta la boquilla de combustible a la aeronave para descargar de manera segura cualquier estática.
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 a 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 la corriente que fluye. Esto, a su vez, puede provocar un gran pulso en el campo eléctrico a través de los contactos abiertos, provocando arcos y daños. A menudo es necesario incorporar características de diseño para limitar dichos efectos.
Los dispositivos electrónicos como válvulas o tubos de vacío, transistores y diodos también pueden encenderse y apagarse muy rápidamente, causando problemas similares. Los impulsos únicos pueden deberse a interruptores de estado sólido y otros dispositivos que se utilizan sólo ocasionalmente. Sin embargo, los muchos millones de transistores de una computadora moderna pueden conmutar repetidamente a frecuencias superiores a 1 GHz, provocando una interferencia que parece ser continua.
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 sobretensiones dañinas de corriente y voltaje . [9]
La intensa radiación gamma emitida también puede ionizar el aire circundante, creando un EMP secundario cuando los átomos del aire primero pierden sus electrones y luego los recuperan.
Las armas NEMP están diseñadas para maximizar los efectos EMP como mecanismo de daño principal, y algunas son capaces de destruir equipos electrónicos susceptibles en un área amplia.
Un arma de pulso electromagnético a gran altitud (HEMP) es una ojiva NEMP diseñada para ser detonada muy por encima de la superficie de la Tierra. La explosión libera una explosión 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 en altitudes más bajas.
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 con el objetivo, se agregan circuitos de formación de ondas o generadores de microondas entre la fuente del pulso y la antena . Los vircators son tubos de vacío especialmente adecuados para la conversión por microondas de impulsos de alta energía. [10]
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 disminuidos, pero sin las consecuencias del despliegue de armas nucleares.
El alcance de las armas NNEMP es mucho menor que el de las armas EMP nucleares. Casi todos los dispositivos NNEMP utilizados como armas requieren explosivos químicos como fuente de energía inicial, produciendo sólo una millonésima parte de la energía de los explosivos nucleares de peso similar. [11] El pulso electromagnético de las armas NNEMP debe provenir del interior del arma, mientras que las armas nucleares generan EMP como efecto secundario. [12] Estos hechos limitan el alcance de las armas NNEMP, pero permiten una discriminación de objetivos más precisa. El efecto de las pequeñas bombas electrónicas ha demostrado ser suficiente para determinadas operaciones terroristas o militares. [ cita necesaria ] Ejemplos de tales operaciones incluyen la destrucción de sistemas de control electrónico críticos para el funcionamiento de muchos vehículos terrestres y aeronaves. [13] [ se necesitan citas adicionales ]
El concepto del generador de compresión de flujo bombeado explosivamente para generar un pulso electromagnético no nuclear fue concebido ya en 1951 por Andrei Sajarov en la Unión Soviética, [14] pero las naciones mantuvieron clasificados los trabajos sobre PEM no nucleares hasta que surgieron ideas similares en otros países. naciones.
Los eventos EMP menores, y especialmente los trenes de pulsos, causan bajos niveles de ruido eléctrico o interferencias que pueden afectar el funcionamiento de 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, que hacía que los aparatos de radio chisporrotearan y los televisores mostraran rayas en la pantalla. Se introdujeron leyes para que los fabricantes de vehículos instalaran supresores de interferencias. [ cita necesaria ]
A un nivel de alto voltaje, un EMP puede inducir una chispa, por ejemplo, debido a una descarga electrostática al alimentar un vehículo con motor de gasolina. Se sabe que estas chispas provocan explosiones de combustible y aire y se deben tomar precauciones para evitarlas. [15]
Un EMP grande y energético puede inducir altas corrientes y voltajes en la unidad víctima, interrumpiendo temporalmente su funcionamiento o incluso dañándola permanentemente. [ cita necesaria ]
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 eliminación de activos de TI y recicladores de computadoras utilizan un EMP controlado para borrar dichos medios magnéticos. [dieciséis]
Un evento EMP muy grande, como un rayo o un arma nuclear explosiva en el aire, también es capaz de dañar directamente objetos como árboles, edificios y aviones, ya sea a través de efectos de calentamiento o los efectos disruptivos del campo magnético muy grande generado por el actual. Un efecto indirecto pueden ser los incendios eléctricos provocados por la calefacción. La mayoría de las estructuras y sistemas de ingeniería requieren algún tipo de protección contra rayos para diseñarse. Un buen medio de protección es un escudo de Faraday diseñado para proteger ciertos elementos de la destrucción. [ cita necesaria ]
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 del EMP y en endurecerlo o protegerlo de daños. Las fuentes artificiales, distintas de las armas, también están sujetas a medidas de control para limitar la cantidad de energía pulsada emitida.
La disciplina de garantizar el funcionamiento correcto del equipo en presencia de EMP y otras amenazas de RF se conoce como compatibilidad electromagnética (EMC).
Para probar los efectos de EMP en sistemas y equipos de ingeniería, se puede utilizar un simulador de EMP.
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 utilizar una pinza amperimétrica a la inversa, para inyectar una variedad de señales de onda sinusoidal amortiguadas en un cable conectado al equipo bajo prueba. El generador de onda sinusoidal amortiguada es capaz de reproducir la gama de señales inducidas que probablemente se produzcan.
A veces, el propio impulso de amenaza se simula de forma repetible. El pulso puede reproducirse a baja energía para caracterizar la respuesta del sujeto antes de la inyección de onda sinusoidal amortiguada, o a alta energía para recrear las condiciones de amenaza reales. Se puede llevar en la mano un simulador de ESD a pequeña escala . Los simuladores del tamaño de una mesa de trabajo o una sala vienen en una variedad de diseños, según el tipo y el 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. [17] [18] Las instalaciones más grandes pueden probar vehículos completos, incluidos barcos y aviones, para determinar su susceptibilidad a EMP. Casi todos estos grandes simuladores EMP utilizaban una versión especializada de un generador Marx . [17] [18] Los ejemplos incluyen el enorme simulador ATLAS-I con estructura de madera (también conocido como TRESTLE) en Sandia National Labs , Nuevo México, que en un momento fue el simulador EMP más grande del mundo. [19] 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 los pulsos electromagnéticos, están ahora bajo el cuidado de la Fundación SUMMA, que tiene su sede en la Universidad. de Nuevo México. [20] [21] La Marina de los EE. UU. también tiene una gran instalación llamada Simulador ambiental de radiación de pulso electromagnético para barcos I (EMPRESS I).
Las señales EMP de alto nivel pueden representar una amenaza para la seguridad humana. En tales circunstancias, se debe evitar el contacto directo con un conductor eléctrico activo. Cuando esto ocurre, como al tocar un generador Van de Graaff u otro objeto altamente 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 al pisar. lejos.
Las intensidades de campo eléctrico muy altas pueden provocar la degradación del aire y el flujo de una corriente de arco potencialmente letal similar a la de un rayo, pero intensidades de campo eléctrico de hasta 200 kV/m se consideran seguras. [22]
Según una investigación de Edd Gent, un informe de 2019 del Instituto de Investigación de Energía Eléctrica , financiado por empresas de servicios públicos, encontró que un gran ataque EMP probablemente causaría apagones regionales pero no una falla de la red nacional y que los tiempos de recuperación serían similares a los de otras interrupciones a gran escala. [23] No se sabe cuánto durarían estos apagones eléctricos ni qué magnitud de los daños se producirían en todo el país. [ cita necesaria ] Es posible que los países vecinos de EE. UU. también se vean afectados por un ataque de este tipo, dependiendo del área y las personas objetivo. [ cita necesaria ]
Según un artículo de Naureen Malik, teniendo en mente las cada vez más exitosas pruebas de misiles y ojivas de Corea del Norte, el Congreso tomó medidas para renovar la financiación de la Comisión para evaluar la amenaza a los EE. UU. del ataque de pulso electromagnético como parte de la Ley de Autorización de Defensa Nacional . [24] Actualmente, [ ¿cuándo? ] Estados Unidos carece de preparación contra un ataque EMP. [ cita necesaria ]
Según una investigación de Yoshida Reiji, en un artículo de 2016 para la organización sin fines de lucro con sede en Tokio Centro para el Control del Comercio de Información y Seguridad, Onizuka advirtió que un ataque EMP a gran altitud dañaría o destruiría también los sistemas de energía, comunicaciones y transporte de Japón . como inutilizar bancos, hospitales y centrales nucleares . [25]
En 1981, una serie de artículos sobre pulsos electromagnéticos en la prensa popular difundieron el conocimiento del fenómeno EMP en la cultura popular . [26] [27] [28] [29] EMP se ha utilizado posteriormente en una amplia variedad de ficción y otros aspectos de la cultura popular. Los medios populares a menudo describen incorrectamente los efectos EMP, lo que provoca malentendidos entre el público e incluso entre los profesionales. [ especificar ] Se han hecho esfuerzos oficiales en los EE.UU. para remediar estos conceptos erróneos. [30] [31]
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