[Nota che questo articolo è una trascrizione del video incorporato sopra.]
Nella tarda mattinata del 28 aprile 1958, la nave portaerei USS Boxer si trovava a circa 70 miglia dalla costa dell’atollo di Bikini nell’Oceano Pacifico. L’equipaggio del Boxer si stava preparando a lanciare un pallone ad elio ad alta quota. In effetti, questo sarebbe il 17° pallone ad alta quota lanciato dalla nave. Ma questo era un po’ diverso. Dove quei primi 16 palloni trasportavano alcuni strumenti e carichi utili fittizi, attaccati a questoil pallone era una testata nucleare da 1,7 chilotoni, nome in codice Yucca. La nave, il pallone e la bomba facevano tutti parte dell’operazione Hardtack, una serie di test nucleari condotti dagli Stati Uniti nel 1958. Yucca fu il primo test di un’esplosione nucleare nei limiti superiori dell’atmosfera terrestre. Circa un’ora e mezza dopo che il pallone è stato lanciato, ha raggiunto un’altitudine di 85.000 piedi o circa 26.000 metri. Quando due bombardieri pacificatori B-36 carichi di strumenti hanno fatto il giro dell’area, la testata è stata fatta esplodere.
Naturalmente, il team di ricerca ha raccolto tutti i tipi di dati durante l’esplosione, compresa la velocità dell’onda d’urto, l’effetto sulla pressione atmosferica e l’entità della radiazione nucleare rilasciata. Ma, da due postazioni a terra, stavano anche misurando le onde elettromagnetiche risultanti dall’esplosione. Sin dalle prime esplosioni nucleari si sapeva che le esplosioni generano un impulso elettromagnetico o EMP, principalmente perché continuava a friggere strumenti elettronici. Ma fino a Hardtack, nessuno aveva mai misurato le onde generate da una detonazione nell’alta atmosfera. Ciò che hanno registrato è stato così ben oltre le loro aspettative, che è stato liquidato come un’anomalia per anni.
Non è stato fino a 5 anni dopo che il fisico statunitense Conrad Longmire avrebbe proposto una teoria per gli impulsi elettromagnetici da esplosioni nucleari ad alta quota che è ancora la spiegazione ampiamente accettata del motivo per cui sono ordini di grandezza più forti di quelli generati da esplosioni a terra . Da allora, i nostri timori di una guerra nucleare non includevano solo lo scenario di una testata che colpiva un’area popolata, distruggendo città e creando ricadute nucleari, ma anche la possibilità che una testata esplodesse molto al di sopra delle nostre teste nell’atmosfera superiore, inviando un EMP abbastanza forte a interrompere i dispositivi elettronici e persino togliere la rete elettrica. Come con la maggior parte delle armi, viene classificata la ricerca migliore e più completa sugli EMP. Ma, nel 2019, una coalizione di organizzazioni energetiche ed enti governativi chiamata Electric Power Research Institute (o EPRI) ha finanziato unstudio per cercare di capire esattamente cosa potrebbe accadere alla rete elettrica da un EMP nucleare ad alta quota. Non è l’unico studio nel suo genere, e non è privo di critiche da parte di coloro che pensano che sia ottimista, ma ha i dettagli ingegneristici più succosi di tutte le ricerche che sono riuscito a trovare. E le risposte sono un po’ diverse da come Hollywood vorrebbe far credere. Questo è un riassunto di quel rapporto, ed è il primo di una serie di video approfonditi sulle minacce su larga scala alla rete. Sono Grady, e questa è ingegneria pratica. Nell’episodio di oggi, parliamo dell’impatto di un EMP nucleare sulla nostra infrastruttura energetica.
Una detonazione nucleare è sgradita in quasi tutte le circostanze. Questi eventi sono intrinsecamente pericolosi e la fisica di un’esplosione va ben oltre le nostre intuizioni. Ciò è particolarmente vero nell’atmosfera superiore, dove la detonazione interagisce con il campo magnetico terrestre e la sua atmosfera in modi davvero unici per creare un impulso elettromagnetico. Un EMP ha in realtà tre componenti distinti, tutti formati da diversi meccanismi fisici che possono avere impatti significativamente diversi qui sulla superficie terrestre. La prima parte di un EMP si chiama E1. Questo è l’impulso estremamente veloce e intenso che segue immediatamente la detonazione.
I raggi gamma rilasciati durante qualsiasi detonazione nucleare entrano in collisione con gli elettroni, ionizzando gli atomi e creando un’esplosione di radiazioni elettromagnetiche. Questo è generalmente negativo di per sé, ma quando viene fatto esplodere in alto nell’atmosfera, il campo magnetico terrestre interagisce con quegli elettroni liberi per produrre un impulso elettromagnetico significativamente più forte che se fatto esplodere nell’aria più densa ad altitudini inferiori. L’impulso E1 va e viene in pochi nanosecondi e l’energia è in qualche modo scherzosamente indicata come CC alla luce del giorno, il che significa che è diffusa su una parte enorme dello spettro elettromagnetico.
L’impulso E1 generalmente raggiunge qualsiasi punto all’interno di una linea di vista della detonazione e, per un’esplosione ad alta quota, può coprire un’enorme area di terra. Al culmine del test Yucca, questo è un cerchio con un’area più grande del Texas . Un’arma a 200 chilometri di altitudine potrebbe avere un impatto su una frazione significativa del Nord America. Ma non ovunque all’interno di quel cerchio sperimenta i campi più forti. In generale, più ci si allontana dall’esplosione, minore è l’ampiezza dell’EMP. Ma, a causa del campo magnetico terrestre, l’ampiezza massima si verifica un po’ a sud del punto zero (nell’emisfero settentrionale), creando questo modello chiamato diagramma del sorriso. Ma nessuno sorriderà scoprendo di trovarsi all’interno dell’area colpita da un’esplosione nucleare ad alta quota.
Anche se un’arma come questa non danneggerebbe edifici, creerebbe ricadute nucleari, non sarebbe percepita dagli esseri umani, o probabilmente anche visibile alla maggior parte, quell’impulso E1 può avere un enorme effetto sui dispositivi elettronici. Probabilmente hai familiarità con le antenne che convertono i segnali radio in tensione e corrente all’interno di un conduttore. Bene, per un impulso abbastanza forte diffuso su una vasta gamma di frequenze, praticamente qualsiasi oggetto metallico agirà come un’antenna, convertendo l’impulso in enormi picchi di tensione che possono sopraffare i dispositivi digitali. Inoltre, l’impulso E1 si verifica così rapidamente che persino i dispositivi destinati alla protezione dalle sovratensioni potrebbero non essere efficaci. Naturalmente, con quasi tutto ciò che ha l’elettronica incorporata in questi giorni, questo ha implicazioni di vasta portata. Ma sulla griglia, ci sono davvero solo pochi posti in cui un impulso E1 è una delle maggiori preoccupazioni. Il primo riguarda i sistemi di controllo all’interno delle stesse centrali elettriche. Il secondo riguarda i sistemi di comunicazione utilizzati per monitorare e registrare i dati per assistere gli operatori di rete. Il rapporto EPRI si è concentrato principalmente sul terzo pericolo associato a un impulso E1: i relè di protezione digitale.
La maggior parte delle persone ha visto gli interruttori che proteggono i circuiti in casa. La rete elettrica dispone di apparecchiature simili utilizzate per proteggere le linee di trasmissione e i trasformatori in caso di cortocircuito o guasto. Ma, a differenza degli interruttori di casa tua che fanno sia il rilevamento dei problemi che l’interruzione del circuito tutto in un unico dispositivo, quei ruoli sono separati sulla griglia. La disconnessione fisica di un circuito sotto carico viene eseguita da grandi contattori motorizzati temprati in olio o gas dielettrico per evitare la formazione di archi. E i dispositivi che monitorano la tensione e la corrente per problemi e dicono agli interruttori quando sparare sono chiamati relè. Normalmente si trovano in un piccolo edificio in una sottostazione per proteggerli dalle intemperie. Questo perché la maggior parte dei relè oggigiorno sono apparecchiature digitali piene di circuiti stampati, schermi e microelettronica. E tutti questi componenti sono particolarmente sensibili alle interferenze elettromagnetiche. In effetti, la maggior parte dei paesi ha regole severe sulla forza e la frequenza delle radiazioni elettromagnetiche che puoi imporre alle onde radio, regole che spero di non violare con questo dispositivo.
Questo è un generatore di impulsi che ho comprato su eBay solo per dimostrare gli strani effetti che le radiazioni elettromagnetiche possono avere sull’elettronica. Emette solo un’onda da 50 MHz attraverso questa antenna, e puoi vedere quando lo accendo vicino a questo multimetro economico, ha degli strani effetti. La lettura sul display diventa irregolare e talvolta riesco ad accendere la retroilluminazione. Puoi anche vedere i due diversi tipi di vulnerabilità E1 qui. Un EMP può accoppiarsi ai fili che fungono da input per il dispositivo. E un EMP può irradiare direttamente l’apparecchiatura. In entrambi i casi, questo piccolo dispositivo non era abbastanza forte da causare danni permanenti all’elettronica, ma si spera che aiuti a immaginare cosa sia possibile quando campi ad alta intensità vengono applicati a dispositivi elettronici sensibili.
Il rapporto EPRI ha effettivamente sottoposto i relè digitali a forti EMP per vedere quali sarebbero stati gli effetti. Hanno usato un generatore Marx che è un circuito moltiplicatore di tensione, quindi ho deciso di provarlo io stesso. Un generatore Marx immagazzina elettricità in questi condensatori mentre si caricano in parallelo. Quando vengono attivati, gli spinterometri collegano tutti i condensatori in serie per generare tensioni molto elevate, nel mio caso fino a 80 o 90 kilovolt. Il mio collega ingegnere di YouTube Electroboom ha creato uno di questi sul suo canale se vuoi saperne di più su di loro. Il mio genera una scintilla ad alta tensione quando viene attivato da questo cacciavite. A proposito, non provarlo a casa. Non ho progettato un’antenna per convertire questo impulso ad alta tensione in un EMP, ma ho provato un test di iniezione diretta. Questa cornice digitale economica non aveva alcuna possibilità. Giusto per chiarire, questo non è in alcun modo un test scientifico. È solo una divertente dimostrazione per darti un’idea di cosa potrebbe essere capace un impulso E1.
L’impulso E2 è più lento di E1 perché è generato in modo totalmente diverso, questa volta dall’interazione di raggi gamma e neutroni. Si scopre che un impulso E2 è più o meno paragonabile a un fulmine. Infatti, molti fulmini sono più potenti di quelli che potrebbero essere generati da detonazioni nucleari ad alta quota. Naturalmente, la rete non è del tutto immune ai fulmini, ma usiamo molta tecnologia di protezione contro i fulmini. La maggior parte delle apparecchiature sulla rete è già protetta contro alcuni impulsi ad alta tensione in modo tale che i fulmini di solito non creano molti danni. Quindi, l’impulso E2 non è così minaccioso per la nostra infrastruttura energetica, soprattutto rispetto a E1 ed E3.
Il componente finale di un EMP, chiamato E3, è, ancora una volta, molto diverso dagli altri due. In realtà non è nemmeno un impulso, perché è generato in un modo completamente diverso. Quando si verifica una detonazione nucleare nell’alta atmosfera, il campo magnetico terrestre viene disturbato e distorto. Man mano che l’esplosione si dissipa, il campo magnetico ritorna lentamente al suo stato originale nel corso di pochi minuti. Questo è simile a ciò che accade quando una tempesta geomagnetica sul sole interrompe la gravità terrestre e grandi eventi solari potrebbero potenzialmente rappresentare una minaccia più grande di un EMP nucleare per la rete. In entrambi i casi, è a causa della perturbazione e del movimento del campo magnetico terrestre. Probabilmente sai cosa succede quando sposti un campo magnetico attraverso un conduttore: generi una corrente. Lo chiamiamo accoppiamento, ed è essenzialmente il modo in cui funzionano le antenne. E infatti,
Ad esempio, la radio AM utilizza frequenze fino a 540 kilohertz. Ciò corrisponde a lunghezze d’onda che possono essere superiori a 1800 piedi o 550 metri, grandi onde. Piuttosto che servire come luogo per montare antenne come la radio FM o le torri cellulari, le torri radio AM lo sonol’antenna. L’intera struttura metallica è energizzata! Spesso puoi riconoscere una torre AM guardando in basso perché si trovano in cima a un piccolo isolante ceramico che le separa elettricamente dal suolo. Come puoi immaginare, maggiore è la lunghezza d’onda, più grande deve essere un’antenna per accoppiarsi bene con la radiazione elettromagnetica. E spero che tu veda a cosa sto arrivando. Le linee di trasmissione e distribuzione elettrica spesso si estendono per chilometri, il che le rende il luogo ideale in cui un impulso E3 si accoppia e genera corrente. Ecco perché è un problema.
Lungo tutta la rete usiamo trasformatori per cambiare la tensione dell’elettricità. Sul lato della trasmissione, aumentiamo la tensione per ridurre le perdite nelle linee. E dal lato della distribuzione, abbassiamo nuovamente il voltaggio per renderlo più sicuro da usare per i clienti nelle loro case ed edifici. Quei trasformatori funzionano utilizzando campi elettromagnetici. Una bobina di filo genera un campo magnetico che passa attraverso un nucleo per indurre la corrente a fluire attraverso una bobina adiacente. In effetti, il motivo principale per cui utilizziamo la corrente alternata sulla rete è perché ci consente di utilizzare questi dispositivi davvero semplici per aumentare o diminuire la tensione. Ma i trasformatori hanno un limite.
Fino a un certo punto, la maggior parte dei materiali utilizzati per i nuclei dei trasformatori ha una relazione lineare tra la quantità di corrente che scorre e l’intensità del campo magnetico risultante. Ma questa relazione si interrompe al punto di saturazione, oltre il quale la corrente aggiuntiva non creerà molto ulteriore magnetismo per guidare la corrente sull’avvolgimento secondario. Un impulso E3 può indurre un flusso di corrente approssimativamente CC attraverso le linee di trasmissione. Quindi hai DC sopra AC, che crea un bias nell’onda sinusoidale. Se c’è troppa corrente CC, il nucleo del trasformatore potrebbe saturarsi quando la corrente si muove in una direzione ma non nell’altra, distorcendo la forma d’onda di uscita. Ciò può portare a punti caldi nel nucleo del trasformatore, danni ai dispositivi collegati alla rete che si aspettano un piacevole schema di tensione sinusoidale e molte altre cose strane.
Quindi quali sono le implicazioni di tutto questo? Per l’impulso E1 che danneggia alcuni relè, probabilmente non è un grosso problema. Ci sono spesso percorsi ridondanti per il flusso di corrente nel sistema di trasmissione. Ecco perché si chiama griglia. Ma maggiore è il numero di apparecchiature che vanno offline e maggiore è lo stress sulle linee rimanenti, maggiore è la probabilità di un guasto a cascata o di un collasso totale. L’EPRI ha effettuato test simulando una bomba da un megaton fatta esplodere a 200 chilometri di altitudine. Hanno stimato che circa il 5% delle linee di trasmissione potrebbe avere un relè che viene danneggiato o interrotto dall’EMP risultante. Questo da solo probabilmente non è sufficiente per causare un blackout su larga scala della rete elettrica, ma non dimenticare l’E3. L’EPRI ha scoperto che la terza parte di un EMP potrebbe portare a blackout regionali che coinvolgono più stati a causa della saturazione del nucleo del trasformatore e degli squilibri tra domanda e offerta di elettricità. La loro modellazione non ha portato a danni diffusi ai trasformatori effettivi, e questa è una buona cosa perché i trasformatori di potenza sono dispositivi grandi e costosi che sono difficili da sostituire e la maggior parte delle utility non tiene molti ricambi in giro. Detto questo, il loro rapporto non è privo di critiche e molti credono che un EMP potrebbe causare molti più danni alle infrastrutture elettriche. e la maggior parte delle utility non tiene molti ricambi in giro. Detto questo, il loro rapporto non è privo di critiche e molti credono che un EMP potrebbe causare molti più danni alle infrastrutture elettriche. e la maggior parte delle utility non tiene molti ricambi in giro. Detto questo, il loro rapporto non è privo di critiche e molti credono che un EMP potrebbe causare molti più danni alle infrastrutture elettriche.
Quando si combinano gli effetti dell’impulso E1 e dell’impulso E3, non è difficile immaginare come la rete possa essere seriamente disabilitata. È anche facile vedere come, anche se i danni reali alle apparecchiature non sono così significativi, la natura diffusa di un EMP, oltre ai suoi potenziali impatti su altri sistemi come computer e telecomunicazioni, ha il potenziale per frustrare il processo di recupero delle cose. in linea. Un blackout di più giorni, più settimane o persino più mesi non è fuori questione nello scenario peggiore. Probabilmente non causerà un ritorno in stile hollywoodiano all’età della pietra per l’umanità, ma è certamente in grado di causare un grave sconvolgimento nella nostra vita quotidiana . Esploreremo cosa significa in un video futuro.
https://practical.engineering/blog/2022/11/7/how-would-a-nuclear-emp-affect-the-power-grid
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