La basura que dejamos allá arriba

Hace unas semanas, el cohete Falcon 9 de SpaceX lanzó a órbita la cápsula espacial Dragon, a bordo del cual se encuentra un recolector de basura espacial experimental llamado RemoveDebris. Este dispositivo permitirá probar en la práctica la tecnología de recolección de vehículos espaciales usados ​​y sus fragmentos con la ayuda de un arpón y una red. ¿Qué tanta basura hay en el espacio cercano a la Tierra? ¿Habrá suficiente espacio para nuevas naves? N+1 decidió investigar este problema con la ayuda de un investigador asociado del Instituto de Matemáticas Aplicadas MV Lomonosov, Keldysh Mikhail Zahvatkin.

Dispositivos como RemoveDebris tienen mucho trabajo. De acuerdo con el programa de desechos espaciales de la NASA, la cantidad de objetos de basura de más de 10 centímetros se acerca a los 20.000, y su masa total es de 8.000 toneladas, y la mayoría de ellos son fragmentos de vehículos espaciales.

Según los cálculos de la Agencia Espacial Europea, el número de objetos de más de un centímetro es de 750 mil, y pueden haber muchos más fragmentos de menor tamaño. Una gran cantidad de estos fragmentos de tamaño micrométrico fueron parte de los motores, entre ellos hay una gran cantidad de pequeñas partículas de pintura, y este polvo artificial ya está causando un daño real hoy en día, dejando agujeros y microcraters en las carcasas y baterías solares de las naves espaciales.

¿De dónde viene la basura?

^{Microcrater ocasionado por el impacto de una pieza de desechos espaciales en el cristal de la ventana del transbordador "Endeavour" (misión STS-126)
NASA}

Al mismo tiempo, las reservas de escombros en la órbita se renuevan constantemente: todos los años, en todo el mundo, aparecen cientos de nuevas naves espaciales, no solo satélites, sino también terceras etapas de cohetes, etapas superiores, etc.

^{Crecimiento en el número de objetos de desechos espaciales de más de 10 centímetros. Las líneas son (de arriba a abajo): 1. El número total de objetos en órbita; 2. Pequeños desechos resultantes de la destrucción de satélites; 3. Naves espacials; 4. Fragmentos separados de vehículos espaciales como resultado del trabajo regular; 5. Las etapas superiores de los cohetes.
NASA}

Tarde o temprano, un intenso asentamiento orbital conduciría a "problemas grupales", y en 1978 los empleados de la NASA Donald Kessler y Burton Kur-Palais llegaron a la conclusión de que en el futuro cercano las colisiones entre satélites fallidos comenzarían a ocurrir tan a menudo que la cantidad de los restos crecerán exponencialmente (incluso si en ese punto el lanzamiento espacial se detiene por completo) y eventualmente se formará un anillo de restos de naves espaciales, similar al anillo de Saturno, alrededor de la Tierra. Predijeron que la primera colisión de naves espaciales ocurriría antes del año 2000. En realidad, la colisión de los satélites Kosmos-2251 e Iridium 33 ocurrió el 19 de febrero de 2009, y generó inmediatamente 1.150 desechos tan grandes que pudieron ser notado por los radares del sistema de control espacial.

Aunque el síndrome de Kessler es una reacción en cadena descontrolada causada por la destrucción de vehículos en órbita y la transformación del espacio cercano a la Tierra en una zona prohibida, que solo podemos ver películas como "Gravedad", los desechos espaciales son ya se está convirtiendo en un obstáculo tangible. Basta recordar que la Estación Espacial Internacional (ISS) regularmente tiene que ajustar la órbita para evitar colisiones, y aún más a menudo los cosmonautas tienen que detener sus actividades y meterse en la nave espacial Soyuz para esperar el peligroso acercamiento de la estación con un fragmento de desechos espaciales. Los detalles entregados a la Tierra desde la ISS a menudo tienen microdaños: rastros de pequeños impactos de escombros.

^{Rastro de impacto de un fragmento microscópico de desechos espaciales
NASA}

Todavía se produce una auto-purificación del espacio cercano a la Tierra, explica a N + 1, el investigador en el Instituto de Matemáticas Aplicadas que lleva el nombre de MV Lomonosov. Keldysh Mikhail Zahvatkin. Según él, dentro del ciclo de 11 años de actividad solar, se deben excluir de los catálogos alrededor de 250-300 objetos de basura al año, porque simplemente ingresan a la atmósfera y se queman. Pero la velocidad de esta limpieza varía mucho dependiendo de la fase del ciclo de actividad solar (en los períodos cuando el Sol está activo, la atmósfera de la Tierra "se hincha" y comienza a ralentizar aún más los objetos) y de la altitud de la órbita.

"A pesar de que la influencia de la atmósfera se siente en altitudes de hasta 1500 kilómetros, el freno atmosférico en realidad funciona efectivamente solo en órbita baja de la Tierra, es decir, en órbitas de una altura de 500-600 kilómetros. En esta zona, los satélites sin un aumento constante de altura con la ayuda de los motores, pueden durar un par de décadas como máximo, luego entran a la atmósfera y se queman. Pero ya en altitudes de 700-1000 kilómetros, las naves espaciales pueden estar 50-100 años, es decir, en la escala humana de vida, casi para siempre. Además, estas órbitas son las más populares, hay muchos satélites sincrónicos solares, porque no necesitan gastar mucho combustible para soportar esta órbita. Estas alturas son lanzadas por muchos vehículos, porque puede sobrevivir allí el tiempo suficiente", dice el científico.

^{Distribución del número de satélites según la altura de la órbita
CNES}

El piso de 700 a 1000 kilómetros es el más popular y poblado más rápidamente, pero incluso en estas alturas la realización del escenario catastrófico descrito por Kessler es una cuestión de futuro lejano.

"13 mil satélites giran en órbitas bajas, durante 200 años, en el peor de los casos su número aumentará a 100 mil, lo que significa que la probabilidad de colisiones crecerá aproximadamente 100 veces. Hoy en día, la probabilidad de una colisión catastrófica es de aproximadamente una vez cada cinco años, con un aumento en la probabilidad de colisiones, obtenemos aproximadamente 20 incidentes por año para una población de 100,000 unidades. Este no es un riesgo tan alto para hacer que el lanzamiento de satélites a esta zona carezca de sentido comercial", explica Zakhvatkin.

Sin embargo, el científico cree que no se debe exacerbar el problema, dejarlo a las generaciones futuras, por lo tanto, las medidas para combatir la contaminación del espacio cercano a la Tierra deberían resolverse ahora.

Colocar el resto allí donde no hay basura

Para empezar, sería bueno asegurarse de que los desechos espaciales no sean más grandes, pero para esto es necesario que los vehículos espaciales no exploten. La principal fuente de pequeños fragmentos en órbita hoy en día no son las colisiones de satélites entre sí (siempre que conozcamos solo un evento de este tipo: la colisión de "Iridium" con el "Cosmos" mencionado anteriormente) sino el llamado "eventos de fragmentación", la destrucción de varias razones internas.

Según los cálculos de la NASA, a agosto de 2007, se registraron 194 casos de destrucción explosiva de satélites, etapas superiores de cohetes y etapas superiores, y otros 51 eventos anómalos: la separación de cualquier fragmento (paneles solares, piezas de aislamiento térmico, partes estructurales) del resto del aparato. Al mismo tiempo, las explosiones de vehículos en órbita son la fuente de alrededor del 47% de la cantidad total de objetos de desechos espaciales.

Los vehículos espaciales explotan principalmente debido al sobrecalentamiento de los residuos de combustible en los tanques, por esta razón la destrucción explosiva ocurre en más del 45% de los casos. Uno de esos incidentes, ampliamente reportado en la prensa, ocurrió el 19 de octubre de 2012, cuando la etapa superior Breeze-M explotó en órbita, formando una nube de más de 100 escombros. Recientemente, hace un mes y medio, explotó un tanque de combustible adicional de la etapa superior Fregat, que se utilizó para lanzar el satélite "Angosat-1", después de lo cual aparecieron 25 restos más en el catálogo de objetos espaciales.

"Es bastante simple resolver este problema: es necesario asegurar la pasivación de los vehículos gastados, es decir, instalar válvulas en los tanques que purgarían los combustibles, o para asegurar el funcionamiento de los motores antes de que se agote por completo. Mientras se reduce la órbita del aparato", dice Mikhail Zakhvatkin.

Sin embargo, señala que, aunque se mantenga la frecuencia actual de lanzar nuevas naves espaciales a órbitas bajas y se tomen medidas significativas para eliminar satélites gastados y pasivación, la cantidad total de objetos de más de 10 centímetros aún aumentará en un 30% durante los próximos 200 años. "Al mismo tiempo, el papel principal en el crecimiento de este número se dará mediante colisiones de satélites en el área más superpoblada de altitudes de 700 a 1000 kilómetros, la más grande de las cuales ocurrirá cada 5 a 9 años", explica el científico.

Cómo eliminarlo

Las reglas que impiden el aumento de la carga de escombros en órbita se han desarrollado durante mucho tiempo; hay recomendaciones de la ONU, la norma correspondiente está aprobada por ISO. Sin embargo, hasta ahora no existe un tratado internacional legalmente vinculante en este campo, y cada país sigue sus propias reglas, a veces actuando a expensas de intereses comunes. Por eso, en 2007 China derribó un satélite meteorológico especial con cohete, como resultado de lo cual más de 2 mil nuevos fragmentos de desechos espaciales aparecieron en la órbita.

Las recomendaciones, en general, son bastante simples: debe llevar el dispositivo a un lugar donde no interfiera con los nuevos satélites, y si es posible, dirigirlo a órbitas bajas para quemarlo en la atmósfera. Hasta el momento, esta regla en su conjunto se está llevando a cabo solo con respecto a los dispositivos ubicados en una órbita geoestacionaria con una altura de 36 mil kilómetros. La ubicación en el geoestacionario es un recurso escaso, por lo tanto, los satélites geoestacionarios que han servido a su fin son llevados a la "órbita del entierro" entre 100 y 200 kilómetros más arriba, explica Zakhvatkin. Sin embargo, en otras órbitas esta regla no siempre se cumple.

^{Varias variantes de dispositivos para compilar satélites desde la órbita mediante el frenado (de arriba a abajo, de izquierda a derecha): 1. Usando un cilindro de gas inflable - debido a la resistencia del aire; 2. Usando una película estirada sobre varillas telescópicas - debido a la resistencia del aire; 3. Cinta con un contrapeso, debido al gradiente de gravedad; 4. Cable conductor: debido a campos magnéticos.
GLOBAL AEROSPACE CORPORATION}

Por un lado, no es comercialmente rentable transportar combustible a bordo del satélite, destinado únicamente a sacar el dispositivo de la órbita al final de su vida útil. Por otro lado, muchos satélites, especialmente las cámaras estándar CubeSat, no tienen sus propios motores. Los ingenieros ofrecen una variedad de opciones para dispositivos adicionales que pueden acelerar el descenso del vehículo desde la órbita. Esto, por ejemplo, cilindros inflables, que aumentan el área del aparato y, en consecuencia, la resistencia del aire, sistemas de cable que frenan el dispositivo debido a la influencia de los campos electromagnéticos. Pero hasta ahora ninguno de estos dispositivos se ha convertido en un estándar.

Los dispositivos especializados para la recolección de desechos espaciales, a pesar del alto costo de tales proyectos, pueden ser útiles para prevenir los casos de fragmentación de grandes naves espaciales. "Un gran satélite es potencialmente miles de pequeños fragmentos que pueden surgir de la colisión con otro dispositivo o destrucción espontánea. Un limpiador especializado puede limpiar estos objetos grandes, potencialmente fragmentados, y entonces no estarán en estas órbitas sin fin. Si eliminamos alrededor de 4-5 objetos por año a partir de altas órbitas, esto puede nivelar el crecimiento potencial en la cantidad de pequeños fragmentos a largo plazo", dijo Zakhvatkin.

Muchos temores son causados ​​por los planes de Elon Musk que quiere poner en órbita alrededor de 12,000 sistemas satelitales Starlink, que deberían proporcionar acceso global a Internet. Sin embargo, Mikhail Zakhvatkin no cree que este proyecto empeore seriamente la situación con los desechos espaciales.

"Para las agrupaciones de los sistemas Starlink y Oneweb, se planea usar órbitas con una altura de más de 1,1 mil kilómetros. Ahora la concentración de fragmentos potencialmente peligrosos en esta área es un orden de magnitud menor que los valores en altitudes de 800- 900 kilómetros. Por lo tanto, la adición de una cantidad tan grande de dispositivos no hará que la situación en estas órbitas sea crítica", dice el científico.

Sergey Kuznetsov

Traducido por Victor Román
Esta noticia ha sido publicada originalmente en N+1, ciencia que suma.

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