Astronáutica Amateur

En el año 1874, el escritor británico de anticipación Andrew Blair profetizó los problemas de la basura espacial en su novela “Annals of the twenty-ninth century”. En dicha novela el autor describió como la civilización llegaría a poder efectuar viajes espaciales, pero no sin dificultades a causa de la basura que la humanidad iría acumulando entorno a la Tierra...

Somos dependientes de la tecnología y nos hemos acostumbrado al uso del GPS, a ser consumidores de la TV por satélite, seguir los pronósticos del tiempo o navegar por internet y por tanto, somos dependientes del espacio. Hace tiempo que los satélites han dejado de ser los protagonistas de la guerra fría para pasar a ser tan útiles a la sociedad que son indispensables en el día a día. Pero toda actividad humana altera el medio ambiente y genera residuos, problema imposible de evitar, -aunque sí disminuir- y que también hemos trasladado al espacio.

Se dice que el Sputnik 1 fue el primer satélite artificial de la historia. En realidad, aquel 4 de octubre de 1957 se colocaron en órbita tres satélites al mismo tiempo: el Sputnik propiamente dicho, su cono protector y la última etapa portadora necesaria para inyectar el satélite en órbita. El Sputnik pesaba tan sólo 84 kg. y si bien resultó de utilidad durante las semanas que permaneció en órbita analizando la alta atmósfera, la etapa inyectora final pesaba 6,5 toneladas y fue de un solo uso.

Desde los comienzos de la conquista espacial y hasta el año 2018 se efectuaron entorno a 5000 lanzamientos con los cuales se enviaron al espacio unas 8000 toneladas de metales y que corresponden a unos 1000 satélites en activo; el resto, un 94%, satélites inactivos y desechos. En la actualidad hay unos 20.000 objetos de más de 10 cm y de 1 kg. de masa, 700.000 objetos de entre 1 y 10 cm y varios millones de menos de 1 cm. En el año 2000, el 42 por ciento eran fragmentos, 12 por ciento piezas varias, 17 por ciento etapas de cohetes, el 22 por ciento satélites fuera de uso y sólo el 7 por ciento satélites activos. Satélites de telecomunicaciones operativos hay unos 776 de 49 países, de los que 476 ocupan la órbita geoestacionaria. Además hay tirantes de sujeción, tapas de cámaras, restos pinturas, partículas de combustión, líquidos refrigerantes, mantas térmicas, células solares desprendidas, tornillos, herramientas, guantes, bolsas de basura y sobre todo, millones de residuos microscópicos que se van generando tras choques sucesivos entre sí. El analista Donald Kessler expuso en 1978 la posibilidad de que si los residuos en el espacio continuaban aumentando podrían colisionar entre sí generando más y más residuos llegando a un límite que ni la atmósfera los podría eliminar de forma natural; es lo que se denominó posteriormente como “el umbral de Kessler”. Efectivamente, los residuos espaciales no quedan infinitamente en el espacio. La atmósfera los puede limpiar, pero esta limpieza natural puede durar hasta miles de años si los restos están a alturas medias o altas y por tanto el ritmo de limpieza natural es lentísimo comparado con el ritmo de residuos que generan lanzamientos espaciales. Como veremos, las órbitas bajas entorno a 400 Kms. se pueden limpiar de forma natural en tan solo unos años pero las órbitas más contaminadas, las más útiles para los satélites, son las situadas entre 400 y 1000 kms. así como las órbitas geoestacionarias a 36.500 kms.

A partir del año 1973 la preocupación por los restos espaciales fue en aumento a causa de la explosión inesperada de la parte inyectora de un cohete Delta que conllevó fragmentarse y en años posteriores se siguieron registrando más fragmentaciones en el espacio aumentando el riesgo de impactos. Si tenemos en cuenta que la energía cinética de una partícula de 80 gramos a 8 Kms/sg (la velocidad necesaria para que un satélite quede en órbita) equivale a un impacto de 1 kg., el choque con un satélite operativo o con un vuelo tripulado puede ser catastrófico. Además, están las reentradas a la atmósfera de satélites o grandes piezas, y si bien hoy en día las reentradas son constantes y no revisten peligro alguno puesto que los restos se funden en la atmósfera o caen en los océanos sin problemas, hay casos de objetos resistentes que alcanzan el suelo.

Surgió la necesidad de un registro y seguimiento continuo de todo objeto orbitando la Tierra para así poder informar a las empresas del sector, a las agencias del gobierno e incluso a los servicios de protección civil. Pero el registro constante de los objetos orbitales no resulta tan sencillo. La posición de cada resto varía con el tiempo por la inestabilidad orbital, el campo gravitatorio variable, la actividad solar o la fricción atmosférica y los datos se desfasan rápidamente, además, se van produciendo fragmentaciones varias veces al año que multiplica los restos. Así todo, con los objetos catalogados hay tan sólo una precisión de 24 horas 10 días antes del analizar los datos y un error de cinco minutos equivale a 2000 kms. de diferencia en la posición; con los objetos no catalogados ni siquiera da tiempo de tomar medidas. En 1992 estaban catalogados tan sólo el 10 por ciento de lo objetos y el 90 por ciento no podían ser detectados con los instrumentos existentes en aquellos años, fue necesario la involucración de varias instituciones de varios países para desarrollar nuevas técnicas y efectuar un seguimiento conjunto continuo.

En 1959 se funda en la ONU la comisión para el uso pacífico del espacio, pero fue en 1973, tras la preocupación surgida por la explosión en órbita de la segunda fase del cohete Delta antedicho, cuando surge el Comité para la Coordinación de Escombros IADS, (órgano encargado de dar las recomendaciones necesarias a la ONU) y en 1993 se crea el foro internacional IADC para promover iniciativas para prevenir basura espacial. En las diferentes agencias del espacio fueron surgiendo iniciativas para el seguimiento y catalogación de residuos espaciales. Así, la NORAD, el mando de defensa aeroespacial de los Estados Unidos, elabora el Orbital Debris Program Office de la NASA y la Space Surveillance Network del US Strategic Comman de vigilancia espacial mantiene al día la base de datos “Space Track” del departamento de defensa. En Rusia está el OKNO, una red de vigilancia con sistemas instalados a lo largo de Rusia y también China tiene un sistema de seguimiento, la Sastind, en cooperación con la Academia de Ciencias China.

En Europa, la Agencia Espacial Europea crea la SSA, oficina encargada de recopilar información para sus bases de datos, si bien fue de mayor importancia el inicio del programa europeo de Vigilancia y Seguimiento Espacial SST siendo España uno de los cuatro países fundadores. El SST europeo surgió del parlamento europeo en 2014 con el objeto de tener un sistema de avisos de colisiones, detectar fragmentaciones y monitorizar reentradas. Para llevar a cabo la vigilancia espacial europea se coordinan instalaciones de diferentes organismos ubicados en diversos lugares con sistemas tanto telescópicos, como de radar además de sistemas láser. De esta forma se pueden seguir objetos de diferentes tamaños a diversas alturas según la resolución necesaria. Por ejemplo, los telescopios son mejores para observar la órbita geoestacionaria a 36.000 Kms. y los radares son mejores para alturas hasta 1000 kms. Según el tamaño de los restos a seguir, los mayores radares detectan objetos de 10 cm a una altura de 800 kms. y de 1 m. a 500 kms. y los telescopios observan objetos de 10 cm. a 5000 kms. o de 1 m. a 36.000 kms.

Ejemplo de grandes satélites colocados en órbita geoestacionaria pertenecientes a un solo fabricante. Fuente SSL.

España tiene un gran legado en materia de basura espacial puesto que son varios los sistemas que llevan funcionando en el país antes de surgir el proyecto europeo. El CDTI (Centro para el Desarrollo Tecnológico e Industrial), realizó un proyecto para la ESA que fue origen del actual radar espacial de Santorcaz y también hay que mencionar el telescopio de 1m del Instituto de Astrofísica de Canarias en el Teide dedicado a la labor de la basura espacial desde 1997 por encargo de la ESA. Y sobre todo, hay que destacar, por su mérito, al Instituto y Observatorio de la Armada en San Fernando, Cádiz, en dónde se lleva siguiendo satélites desde los inicios de la carrera espacial.

En España hay dos organismos, ambos ubicados en Torrejón de Ardoz, dedicados a los programas de basura espacial: el Centro Español de Operaciones de Seguimiento y Vigilancia Espacial o S3TDC, fundado en 2016 y dependiente del CDTI (Ministerio de Ciencia), y el Centro Operativo de Vigilancia Espacial, COVE, fundado en 2018 y dependiente de la jefatura de sistemas, mando y control del Ejército del Aire. El CDTI es el representante español en el proyecto europeo SST y coordina las actividades y el COVE monitoriza los diferentes radares y telescopios del país. En la imagen siguiente se puede ver precisamente los sistemas utilizados en España para la labor de vigilancia de la basura espacial y que son los siguientes: Radar S3TSR en Morón, Sevilla, para seguir objetos de un tamaño de 2 metros a 1000 kms. de altura o de 10 centímetros a alturas menores. Radar MSSR en Santorcaz, Madrid, anteriormente perteneciente a la ESA y ahora dependiente del Ejército del Aire, puede seguir objetos desde 200 a 2000 kms. de altura. Telescopios Centu1, Tracker1 y Ansty del sistema Sky Survey de la empresa Deimos Space en Puerto Llano, Ciudad Real. Es un sistema robotizado con sensores ópticos de gran sensibilidad tanto para la catalogación de objetos artificiales como además, para la observación de asteroides potencialmente peligrosos o Neos. Observatorio Astronómico del Montsec, Lérida, equipado con telescopio de 80 cm. “Joan Oró”, provisto de sensores CCD de gran formato y que puede funcionar de forma remota. En el pirineo leridano del Montsec también tenemos el telescopio TFRM, proyecto conjunto entre el Real Observatorio de la Armada de San Fernando y la Academia de Ciencias de Barcelona, provisto de cámara óptica Baker. Precisamente en el Real Observatorio de la Armada en San Fernando, Cádiz, está ubicado el telemetro láser SLR capaz de emitir pulsos a satélites y restos espaciales a 1000 kms. de altura. Telescopio OGC en El Teide, IAC, (del cual hablaremos más abajo). Y por último, los equipos ópticos Bootes 1 del CSIC-INTA en el Arenosillo, Huelva y Bootes 2 (CSIC-IAA) en la Sierra de Tejeda, Málaga. Estos son telescopios robóticos con la particularidad de ser muy rápidos en el apuntamiento ante cualquier fenómeno celeste que surja en un momento dado. En realidad Bootes es una red mundial de 8 telescopios gestionados por el CSIC en colaboración con la entidad dada en el país de ubicación y por tanto, una segunda particularidad es que los sensores de la red pueden abarcar toda la bóveda celeste.

Los sistemas para la observación de la basura espacial son asimismo compatibles con otras tres actividades de interés para la sociedad: la observación de la actividad solar, la reentrada de satélites (con o sin control) y el seguimiento de asteroides potencialmente peligrosos o NEO. En los años 60 se produjo una gran actividad solar que aún hoy no ha sido superada. En aquellos años había contados satélites, pero en la actualidad dependemos de ellos de tal forma que una actividad solar como la de aquellos años no solo nos puede dejar sin comunicaciones, -con todo lo que ello implica-, sino además sin energía por caídas que se producen en la red eléctrica y por tanto sin otros elementos básicos como el transporte e incluso el suministro de agua. Hay que recordar la gran tormenta solar de 1989 que origino caídas de tensión en Canadá dejando a regiones sin electricidad. En el tema de impactos de asteroides contra la Tierra la historia geológica nos ha dejado rastros de grandes cráteres en el planeta a causa de caídas de objetos celestes y las estadística muestran que tarde o temprano tendremos que enfrentarnos a un impacto de este tipo. En 1994 se pudo observar por primera vez en la historia el choque de un cometa en otro planeta, en concreto Júpiter, cuyo impacto se calculó en 6 millones de megatones y en el año 2013 fuimos testigos de la caída de un meteorito en una región habitada al sur de los Urales, procedente de un asteroide que atraído por el Sol en dirección al cinturón de asteroides, se le cruzó la Tierra causando daños en edificaciones y heridas leves a más de mil personas. Hay más de 20.000 Neo, conocidos, una fracción de los existentes, y se está catalogando y determinando órbitas diariamente de nuevos neos, siendo un trabajo que durará años. La ciencia y la tecnología quizás nos salve algún día de este peligro y con sondas espaciales se podrán desviar pequeños asteroides pero para los más grandes se tendría que enviar una fuerte carga explosiva para que el asteroide se vaporice parcialmente y esto llevaría años de planificación y así todo, el objeto tardaría su tiempo en modificar la órbita.

En cuanto las reentradas más o menos controladas de satélites o grandes objetos artificiales que lleguen al suelo resultarían menos peligrosas que los acontecimientos anteriores y hay pocas probabilidades de producirse, lo más seguro es que caigan al océano y de caer en tierra no llegaría a catástrofe sino a un incidente o accidente menor. No obstante, las órbitas de los satélites sobrevuelan el 80 por ciento de la tierra habitada, el riesgo no es nulo y por lo tanto es de interés efectuar un continuo seguimiento de objetos espaciales y determinar posibles reentradas peligrosas. Fueron celebres en su día las caída en Canadá de un satélite Cosmos ruso así como de restos de la estación americana Skylab en Australia o de la Salyut-7 en Argentina sin accidentes. Las caídas de la estación espacial Mir o de la primera estación espacial china Tiangong se efectuaron con tal control que se desintegraron en el pacífico sin llegar ningún resto a tierra. Dentro de pocos años será necesario reentrar los diferentes módulos de la ISS y se volverá a hablar del tema más bien de forma mediática. Hay basura espacial que en determinadas condiciones no se desintegran del todo y llegan a tierra. Tenemos varios ejemplos y quizás el más llamativo hasta el momento fue la reentrada en 1990 de un resto espacial de dos kilos que se precipitó en una finca privada en Mallorca tras llevarse por delante un árbol cercano. En 1999 la reentrada de un cohete chino en forma de bólido pudo ser visto por numerosas personas a lo largo del mar Mediterráneo y en el año 2001 un trozo de siete kilos de un cohete Delta se recuperó cerca de la capital de Arabia Saudí.

Fuente: Revista de Aeronáutica y Astronáutica.

La tecnología láser permite medir desde la Tierra la posición de la basura espacial proporcionando información clave para evitar colisiones en el espacio. La telemetría láser es una tecnología de sobra probada que emplea un láser en la Tierra para enviar pulsos de luz a un satélite, al medir cuánto tarda la señal en regresar a un telescopio en Tierra, el tiempo del recorrido de ida y vuelta permite determinar con precisión la distancia al satélite y a partir de ahí calcular sus efemérides. Hasta hace poco tiempo, los láseres solo podían utilizarse durante las pocas horas crepusculares que la estación de telemetría en la Tierra se hallaba en la oscuridad, aprovechando que los desechos espaciales aún reflejaban los últimos rayos del Sol. En la actualidad, es posible utilizar los láseres a plena luz del día empleando una combinación de detectores y filtros de luz en determinadas longitudes de onda para aumentar el contraste y revelar los objetos ocultos en el cielo azul diurno. Además, los láseres se han comenzado a utilizar para limpiar restos en el espacio cercano ya que la luz láser puede incidir en los objetos reflejados de menos de 10 cm., vaporizándolos en parte, variando por tanto su masa y provocando que los restos se desvíen hacia la atmósfera para su desintegración.

Imágenes: Karlos Rubiera

La tecnología láser aplicada a la basura espacial es un técnica que dos instituciones españolas dominan muy bien: el Real Instituto y Observatorio de la Armada (ROA) y el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC). El desarrollo de la tecnología láser desde un telescopio es uno de los objetivos del programa para la basura espacial de la ESA, y así, una de las ideas es enviar rayo láser desde las instalaciones del IAC en el Teide. En 1994 se inauguraba la estación óptica terrestre OGS, un telescopio de un metro de diámetro ubicado en las instalaciones del IAC en Tenerife para probar la comunicación óptica por satélite mediante láser por las grandes capacidades para transmitir información que proporciona esta técnica, incluso se puede enviar información a sondas lunares. Las instalaciones se ampliaron en 1999 para poder utilizar láser tanto para el seguimiento de fragmentos de basura espacial como para su eliminación.

Las actividades del Real Instituto y Observatorio de la Armada (ROA) en el seguimiento de satélites artificiales viene desde los inicios mismos de la carrera espacial, siendo el primer centro en Europa para el seguimiento de satélites. Desde Cádiz y junto a otros observatorios, se lleva determinando con precisión la posición de satélites por efecto doopler y también se colaboró en programas internacionales de geodesia así como para el seguimiento de la red GPS. Pero antes de todo y tras la puesta en órbita del Sputnik 1, la Smithsonian Institution instalaría en el observatorio la cámara Baker-Nunn con capacidad para fotografiar objetos de magnitud 14; en el año 2010 se le ha dado una nueva vida a esta cámara y se acopló al telescopio TFRM en el Montsec. En 1975 el CNES proporcionó el láser para efectuar telemetría de los satélites y que en años posteriores sería modernizado para poder seguir objetos menos reflectantes y por tanto con mayor capacidad para seguir restos orbitales. Para finalizar el artículo, podemos ver un interesante vídeo con respecto a la historia y las actividades desarrolladas en el ROA.

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