Atrapats en la terra: les escombraries espacials i el futur de les missions espacials

2024/06/01 Iñigo González de Arrieta Martínez - EHUko Fisika Saila | Iker González Cubiella - Xabier Zubiri - Manteo BHIko irakaslea Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Teknologia
• Astronautika
• Telekomunikazioak

Se sap que la Lluna és l'únic satèl·lit natural que orbita al voltant del nostre planeta, però hi ha molts altres satèl·lits enviats per l'home, els satèl·lits artificials. Les telecomunicacions, la meteorologia, l'espionatge... són innombrables. Però què ocorre quan tots aquests satèl·lits artificials arriben a la mort? El lema reduir, reciclar, reutilitzar no val en l'espai. Gravity (2013) va publicar en el seu moment els perills que el cel estigui ple de deixalles espacials. En ella, la col·lisió de satèl·lits va provocar que els satèl·lits es fragmentessin en milers de fragments petits (anomenats micrometeoroides) que van començar a orbitar a gran velocitat, donant lloc a uns enormes maldecaps a Sandra Bullock per a tornar a la Terra. Al marge de la cienciaficción, la proliferació d'aquestes micrometeoroides ha agreujat el sector espacial (Figura 1). Què passaria si un dia la densitat de meteoroides aconseguís un valor crític, massa gran per a poder sortir de la Terra sense mal?

Aquest hipotètic problema el diem síndrome de Kessler, proposat en 1978 per Donald Kessler i Burton Cour-Palais. Els investigadors van calcular la quantitat d'escombraries que es pot generar a conseqüència de les col·lisions entre les escombraries espacials. El seu model va predir una densitat crítica de reacció en cadena en la qual el creixement dels micrometeoroides es fa exponencial (com una bomba nuclear). Una vegada passat aquest punt, el cel s'ompliria d'escombraries i els humans estaríem obligats a quedar-nos en la Terra definitiva. No obstant això, fins ara no hem arribat a la situació que descriu aquest càlcul, però la tendència està canviant ràpidament. En un nou exemple de dilema tragèdia dels banys, el nombre d'objectes enviats a l'espai no s'està reduint, sinó que s'està incrementant, sobretot per megaprojectes com l'Starlink de Space X. Per tant, tenint en compte tot això, sembla molt probable que la predicció de Kessler es faci realitat. A través d'aquest article tractarem d'analitzar la viabilitat d'aquest problema a través de les previsions actuals.

Analitzant la gravetat del problema

Igual que l'interior de la Terra, l'exterior es divideix en capes. La distància des de l'atmosfera de la Terra al cinturó de Van Allen es diu òrbita terrestre inferior o LEO (en anglès Low Earth Clubs) i se situa aproximadament a 2.000 km de la superfície terrestre. La meitat dels residus que es troben en aquesta òrbita procedeixen de dues col·lisions: Prova ASAT (realitzada per la Xina en 2007 mitjançant míssil per a explosions de satèl·lits) entre Kosmos 2251 i Iridium 33. En tot el LEO, US Space Force va comptabilitzar 22.936 objectes en 2022 (Figura 2). No obstant això, aquesta xifra està molt menyspreada:L'Agència Espacial Europea estima que en el LEO existeixen 130 milions d'objectes de més d'1 mm.

Molt més lluny, a 35,786 km, es troba l'òrbita geosíncrona (GEO). Els objectes d'aquesta òrbita es mouen de manera proporcional a la rotació de la Terra, per la qual cosa sempre apareixen en el mateix punt del cel des del nostre punt de vista. Això és fonamental per als satèl·lits de comunicacions i per als satèl·lits de monitoratge climàtic, ja que permet controlar les seves posicions en tot moment. També permeten establir punts fixos de referència per a altres satèl·lits, com els GPS, que orbiten més prop de la Terra però que han d'assegurar la traçabilitat de les posicions. En la figura 2 es poden veure els diferents tipus d'òrbites: El núvol pròxim a la Terra es diu LEO i l'anell que es veu ben marcat en l'exterior és GEO. Entre tots dos es troba l'òrbita central (PIXO), on existeixen sistemes de navegació global com el GPS. Finalment, s'observen pocs punts fora de l'òrbita geosíncrona, en òrbites denominades cementiri. En aquestes òrbites es deixen els satèl·lits que han acabat la seva vida operativa perquè no interfereixin en l'òrbita GEO.

Les característiques de les òrbites són molt importants per a comprendre l'estat de les escombraries espacials. Al marge dels aspectes tècnics de cada tipus, els nivells de fricció de l'aire són també molt diferents. Aquest fenomen es denomina deterioració orbital i és observat per tots els cossos en òrbita terrestre. La deterioració de l'òrbita LEO és notable, i els satèl·lits allí continguts necessiten propulsors per a mantenir-se en òrbita. Per tant, les escombraries de l'òrbita terrestre inferior tornarà a la nostra atmosfera en un termini aproximat de 25 anys. No obstant això, en l'òrbita geosíncrona, la densitat de gasos és molt baixa i el declivi de les escombraries espacials és molt més lent. Això significa que la sobrepoblació de satèl·lits i la generació d'escombraries espacials seran molt més difícils de gestionar en aquesta important òrbita.

No obstant això, i a diferència del que es preveu per Kessler, només s'ha produït una col·lisió de grans satèl·lits una vegada en 2009. Analitzant les dades, els càlculs semblen haver sobrevalorat la probabilitat que es produeixi un xoc d'aquest tipus. A l'ésser la principal manera de generar les escombraries espacials, molts creuen que la por de quedar-se atrapat en el nostre planeta és injust. No obstant això, l'anterior només descriu la situació business-as-usual, que no està garantit. De fet, el nombre de naus espacials ha augmentat considerablement en l'última dècada, tal com s'ha pogut observar en la Figura 1. Tant la militarització de l'òrbita terrestre inferior com a propostes com Starlink estableixen un preocupant antecedent que analitzarem en el següent apartat.

Nous membres de l'espai: Starlink, exèrcits...

Encara que la situació actual no sembla massa greu, tenim raons per a témer un procés d'agreujament. D'una banda, l'Índia ha seguit els passos de la Xina i va provar l'arma contra els seus satèl·lits en 2019. Sembla que el monopoli dels Estats Units en la tecnologia militar dels satèl·lits està acabant, i no són pocs els exèrcits que volen participar en aquest nou escenari de conflicte potencial.

D'altra banda, si es compleix el proposat en el projecte Starlink d'Elon Muskiz, tindrem 50.000 nous satèl·lits orbitant al voltant del nostre planeta i la probabilitat de col·lisió serà major. Els satèl·lits de comunicacions de generacions anteriors se situaven en òrbita OGM, per la qual cosa els seus senyals trigaven més temps a arribar i no permetien generalitzar massivament Internet ràpida per satèl·lit. Al novembre de 2018, el Govern dels Estats Units va autoritzar a Elon Muskiz la posada en marxa de 7.518 satèl·lits en el LEO. Al febrer de 2024 ja estan en marxa 5.289 satèl·lits Starlink, amb més de 2 milions de subscriptors. De moment, aquest augment massiu del nombre de satèl·lits no ha suposat un increment significatiu de les escombraries, però si se segueix aquesta tendència sembla que és qüestió de temps que es produeixi la reacció en cadena de les escombraries espacials anunciades per Kessler.

En la Unió Internacional de Telecomunicacions ja s'han rebut sol·licituds per a constel·lacions menys famoses però molt superiors a Starlink, com la constel·lació Cinnamon 937 de 337.000 satèl·lits presentada per Ruanda. Existeixen comandes per a més de 90 constel·lacions de més de mil satèl·lits i, tenint en compte totes les peticions, calculen que el nombre de satèl·lits en òrbita augmentaria fins a 115 vegades.

Què fer? Gestió activa i passiva de les escombraries

En aquest punt és clar que de moment no és possible generar menys escombraries, i s'han realitzat moltes propostes per a eliminar les escombraries. Com hem vist, són necessaris diferents mètodes de gestió per a cada tipus d'òrbita. A causa de la deterioració orbital, les escombraries del LEO cau a la Terra amb relativa rapidesa, però això no és tan fàcil en el cas dels satèl·lits d'OMG, que tenen una vida mitjana mil·lenària. Per això, per a poder protegir aquesta òrbita és necessari que aquests vaixells es desplacin a altres òrbites, anomenades “òrbites funeràries”. No obstant això, les òrbites funeràries també estan notant un problema de sobrepoblació. Per tant, s'han desenvolupat tecnologies actives de neteja d'òrbita.

També s'han proposat altres formes de recollida d'escombraries: aprofitar arpons o xarxes per a recuperar satèl·lits, recollir-los mitjançant imants o utilitzar làsers per a escalfar el satèl·lit i augmentar la deterioració orbital. Lamentablement, la majoria de les propostes només es poden trobar en la literatura científica de moment, sense prototips operatius. No obstant això, cal destacar que entre els prototips més desenvolupats fins al moment es troba un disseny d'AQUESTA, ClearSpace-1 (figura 3). Aquest mètode atropella físicament grans restes de satèl·lits i coets abans de la seva caiguda a la Terra i s'espera que comenci a funcionar en 2025. Si fos així, seria el primer sistema que funciona per a netejar les òrbites, la qual cosa demostraria que encara som a temps d'evitar un desastre.

Hi ha motius per a preocupar-se?

És difícil preveure la magnitud del problema a llarg termini, perquè depèn dels plans d'ús de l'espai de governs, grans empreses i exèrcits. No obstant això, queda perfectament clar que, igual que la gestió de les escombraries terrestres, la gestió de les escombraries de l'espai serà també fonamental. Mentre el nombre de satèl·lits puja, la probabilitat de col·lisions i reaccions en cadena augmentarà, i qualsevol sap les conseqüències. Encara que en un futur pròxim és possible seguir amb les missions espacials, el creixement de costos pot fer inviable l'explotació de l'espai, tant des del punt de vista científic com comercial. Convé no oblidar-ho i no posar en perill la possibilitat de gaudir de l'espai a llarg termini pels beneficis econòmics immediats. Hem començat a notar 50 anys després del canvi climàtic i algunes conseqüències ja són irreparables. No deixem aquest problema de les escombraries espacials a les nostres generacions futures, i el solucionem abans que sigui tard.

Bibliografia

[1] Zientzia.eus. (2014). Escombraries espacials. https://zientzia.eus/artikuluak/zabor-espaziala/

[2] Wall, M. (2022). Kessler Syndrome and the space debris. https://www.space.com/kessler-syndrome-space-debris

[3] United States Space Force (2023) – processed by Our World in Data: “Objects in space”. https://ourworldindata.org/grapher/low-earth-orbits-objects

[4] Etxebeste, E. (2023). Adverteixen de la necessitat de mantenir l'ascens dels satèl·lits. Elhuyar aldizkaria, 352.

[5] McDowell, J. Starlink Launch Statistics. https://planet4589.org/space/con/star/stats.html

[6] Shan, M., Guo, J., & Gill, E. (2016). Review and comparison of activi space debris capturing and removal methods. Progress in Aerospace Sciences, 80, 18-32.

[7] Adilov, N., Alexander, P. J. & Cunningham, B. M. (2018). An economic “Kessler Syndrome”: A dynamic model of earth clubdebris. Economics Letters, 166, 79-82.