Pruebas antisatélite aumentan el riesgo de colisiones catastróficas en una órbita terrestre baja abarrotada

Título: Investigación de los riesgos de las pruebas ASAT que generan escombros en presencia de megaconstelaciones

Autores: Sarah Thiele y Aaron C. Boley.

Institución del primer autor: Universidad de Columbia Británica, Departamento de Física y Astronomía.

Estado:  Incluido en las actas de la conferencia AMOS 2021.

El 15 de Noviembre de 2021, el Ministerio de Defensa de Rusia realizó una prueba de misiles antisatélite (ASAT), que golpeó al satélite COSMOS 1408 y expulsó escombros a la órbita terrestre baja (LEO). Las armas ASAT están diseñadas para destruir satélites con fines militares, pero hasta ahora solo han sido utilizadas en pruebas por un país en sus propios satélites. Desde 1979, los investigadores han advertido que una densidad suficientemente alta de objetos en LEO podría conducir a una cascada de colisiones, donde una colisión crea escombros que provocan más colisiones y así sucesivamente. Esto a veces se denomina «síndrome de Kessler«, en referencia a Donald Kessler, quien propuso por primera vez este peligro. Tal escenario haría que las actividades espaciales y el uso de satélites en LEO fueran muy peligrosos o incluso imposibles durante décadas. El artículo de hoy examina cómo aumenta el riesgo de colisiones de escombros de pruebas ASAT debido a las mega constelaciones de satélites comerciales, como Starlink de SpaceX .

Una LEO muy poblada

El documento de hoy fue parte de la Conferencia de Tecnologías Avanzadas de Vigilancia Espacial y Óptica de Maui (AMOS) en Septiembre de 2021, antes de la prueba ASAT de Noviembre. Por lo tanto, este trabajo se centró en una prueba ASAT realizada por la Organización de Investigación y Desarrollo de Defensa de la India en Marzo de 2019, conocida como Misión Shakti, que destruyó con éxito el satélite Microsat-R, un satélite de imágenes experimentales para uso militar lanzado por la Organización de Investigación Espacial de la India solo dos meses antes. Antes de este evento, otros tres países habían demostrado la tecnología ASAT: Estados Unidos, China (que se muestra en la Figura 1) y Rusia.

Figura 1: Visualización de la prueba ASAT china en 2007 y los desechos resultantes, con una comparación con la órbita de la Estación Espacial Internacional (ISS) y otros satélites y desechos conocidos en la órbita de la Tierra. 
Crédito del Video: Analytical Graphics, Inc. 

Se prevé que las megaconstelaciones de satélites comerciales (satcons) aumenten el número de satélites en LEO en más de un orden de magnitud en las próximas décadas, lo que significa que el peligro producido por colisiones y fragmentaciones está creciendo rápidamente. Por ejemplo, la constelación de satélites Starlink tenía 1645 satélites en órbita en el momento en que se redactó este artículo. Planean aumentar ese número a 42,000 para el año 2027. Además, al menos otros 8 proveedores de Internet han comenzado o están planeando lanzar sus propias constelaciones de satélites. Este artículo calculó la probabilidad de colisiones debido a una prueba ASAT en 3 escenarios diferentes: 

  1. solo los satélites en LEO en 2019 (~ 3000),
  2. los primeros 12.000 planeados para la constelación de Starlink en los próximos años,
  3. los planes a largo plazo para una serie de satcons comerciales que sumen 65.000 satélites.

Cálculo del riesgo de colisión

Los autores utilizaron el Modelo de ruptura estándar de la NASA (NSBM), así como un modelo de distribución de Rayleigh más simplificado para estimar el número, los tamaños y las velocidades de los fragmentos resultantes de una prueba ASAT como la de India en 2019. El cálculo de NSBM predice que tal evento produciría más de 300,000 fragmentos de escombros entre el tamaño de 3 milímetros y 1 metro. Sin embargo, la mayoría de estos serían bastante pequeños, y el número previsto de fragmentos de más de 10 cm (aproximadamente el tamaño que la tecnología actual puede rastrear) fue 1168. Las órbitas de estos desechos se muestran en la Figura 2.

Figura 2: Gráficos de Gabbard, que muestran apogeos (distancia máxima desde la Tierra a lo largo de la trayectoria orbital) y perigeos (distancia mínima) para los escombros de las pruebas ASAT. De izquierda a derecha: el modelo NSBM para desechos de más de 10 cm de tamaño, el modelo Rayleigh simplificado y los datos reales de la prueba ASAT 2019. El punto gris marca la órbita de Microsat-R en el momento de la prueba. La línea discontinua muestra la altitud orbital de la Estación Espacial Internacional (ISS) y la estación espacial Tiangong de China. Cada uno de los tres paneles muestra escombros esparcidos a lo largo del rango LEO (<2,000 km), incluidos muchos que pasan a través de la altitud de las órbitas de las estaciones espaciales. 
Crédito: Figura 1 en el paper
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Los autores utilizaron un software de modelado de N-body (N-cuerpos) llamado Rebound para rastrear las trayectorias esperadas de estos fragmentos hasta que el arrastre atmosférico los sacó de la órbita o un período de 2 años después de que finalizara la prueba, lo que ocurriera primero. A lo largo de la trayectoria de cada fragmento, calcularon la probabilidad de colisión a lo largo del tiempo, basándose en la distribución de satélites para cada escenario. Combinando estas probabilidades para todos los fragmentos en un escenario dado, calcularon la probabilidad total de que ocurrieran una o más colisiones como resultado de una sola prueba ASAT.

Entonces, ¿qué tan peligroso es?

Los autores encontraron que la probabilidad de colisión aumenta drásticamente en un entorno satcon, en comparación con el entorno orbital de 2019. Para el escenario futuro de 65.000 satélites en LEO, las probabilidades de una colisión con un fragmento relativamente grande (> 1 cm), que causaría daños severos a una nave espacial en una colisión, sería aproximadamente del 30% para una sola prueba ASAT. Teniendo en cuenta fragmentos más pequeños de hasta 3 mm, esta probabilidad se acerca al 100%. En la configuración de 2019, la probabilidad de cualquier colisión ya era un 10%, no despreciable, mientras que la probabilidad de una colisión de un fragmento grande (> 10 cm) era solo del 0,05%. Si bien las colisiones causadas por fragmentos de escombros más pequeños, que no se pueden rastrear desde la Tierra, pueden no ser catastróficas, aún contribuyen a la población general de escombros y no deben ignorarse. 

Los desechos en LEO ponen en peligro la funcionalidad de cualquier satélite, así como la seguridad de los seres humanos a bordo de las estaciones espaciales International y Tiangong. Con tantos objetos orbitando allí, incluidas las satcons, las pruebas antisatélite se están volviendo cada vez más peligrosas y deben detenerse si la humanidad quiere mantener un entorno LEO que funcione de manera segura. Del espacio orbital de la Tierra, LEO requiere la menor cantidad de energía para alcanzarlo. Los satélites que operan allí pueden tener una latencia baja y un ancho de banda alto, mientras que las estaciones espaciales son más fácilmente accesibles para la tripulación y el servicio. Sin LEO, la humanidad perdería el acceso a una importante tecnología de comunicación global, así como la capacidad de realizar experimentos científicos en el espacio, como los que se realizan en la ISS.

Fuente: Astrobites.

Artículo original:

Editado por Briley Lewis

Crédito de la imagen de portada: Marco Langbroek (The Diplomat).

Material relacionado

Cuando un desastre de escombros nos golpea

Hasta ahora, en 2021, unos 2467 nuevos objetos lo suficientemente grandes como para ser rastreados, han sido agregados a los catálogos mundiales de objetos orbitales, de los cuales 1493 son satélites nuevos y el resto son escombros. Mientras se agregan nuevos objetos, otros son arrastrados a la Tierra por la atmósfera donde se queman de manera segura, lo que resulta en un aumento neto de al menos 1387 objetos rastreables entre 2020 y 2021.

Además, en Noviembre de 2021 se agregaron aproximadamente 1500 nuevos objetos, un aumento de aproximadamente el 5% con respecto a la población total, lo que significa que el riesgo para las misiones debe reevaluarse.

El siguiente artículo lo presenta y contiene además recursos sobre las pruebas antimisiles Rusas y Chinas así como sobre la basura espacial.

Desechos espaciales y naves espaciales tripuladas

Los sensores de la Red de Vigilancia Espacial (SSN) global del Departamento de Defensa rastrean más de 27.000 piezas de desechos orbitales, o «basura espacial». En el entorno espacial cercano a la Tierra existen muchos más desechos, demasiado pequeños para ser rastreados, pero lo suficientemente grandes como para amenazar los vuelos espaciales humanos y las misiones robóticas. Dado que tanto los escombros como la nave espacial viajan a velocidades extremadamente altas (aproximadamente 15,700 mph en órbita terrestre baja), un impacto de incluso una pequeña pieza de escombros orbitales con una nave espacial podría crear grandes problemas.

La creciente población de desechos espaciales aumenta el peligro potencial para todos los vehículos espaciales, incluida la Estación Espacial Internacional y otras naves espaciales con humanos a bordo, como el Crew Dragon de SpaceX.

La NASA se toma en serio la amenaza de colisiones con desechos espaciales y tiene un conjunto de pautas de larga data sobre cómo lidiar con cada posible amenaza de colisión en la estación espacial. Estas pautas, que forman parte de un conjunto más amplio de ayudas para la toma de decisiones conocidas como reglas de vuelo, especifican cuándo la proximidad esperada de una pieza de escombros aumenta la probabilidad de una colisión lo suficiente como para que se necesiten acciones evasivas u otras precauciones para garantizar la seguridad de la tripulación. La publicación a continuación lo presenta:

Space Debris and Human Spacecraft. Mark Garcia. NASA International Space Station (ISS). May 27, 2021.

Sobre la investigación de los impactos de desechos en naves espaciales

Una fuente importante de información sobre el entorno de los desechos es el estudio de los pozos de impacto en superficies que han estado expuestas al espacio en la órbita de la Tierra. Todas las naves espaciales chocan con partículas de desechos orbitales muy pequeñas y meteoroides; en consecuencia, las superficies de las naves espaciales devueltas a la Tierra tienen muchos cráteres pequeños como resultado de impactos a hipervelocidad. En la mayoría de los casos, estos cráteres son demasiado pequeños para tener algún efecto en el funcionamiento de la nave espacial. Sin embargo, examinándolos, se pueden obtener pistas importantes sobre las fuentes de los desechos orbitales y la velocidad a la que están cambiando.

La Instalación de Exposición de Larga Duración (LDEF) era una nave espacial del tamaño de un autobús que fue devuelta después de ~ 5,7 años en órbita terrestre baja. Se han documentado más de 20.000 impactos en LDEF, aproximadamente 1.000 de los cuales se han analizado químicamente en un intento de determinar el origen del proyectil. Las superficies críticas, como las ventanas, del transbordador espacial se examinaron después de cada vuelo. Otras superficies incluyen las del satélite Solar Max y el Telescopio Espacial Hubble.

Toda la información sobre este tema la encuentras en el sitio especialmente dedicado:

Sobre el problema a la observación astronómica que plantean las satcon

Una simulación muestra el número y el brillo de los satélites visibles desde Canadá a la medianoche del solsticio de Junio si se lanzan 65.000 satélites en los próximos años. El centro del círculo está justo por encima y los bordes marcan el horizonte. Los puntos amarillos representan los satélites más brillantes y los puntos violetas los más tenues. 
¿Tienes curiosidad por saber cómo los satélites podrían sesgar tu visión de las estrellas? Visita el sitio web de los investigadores para verificar las simulaciones de visibilidad cerca tuyo.
Crédito: Samantha Lawler, Hanno Rein Y Aaron Boley.

 Se tratan las predicciones sobre cómo se verá el cielo nocturno si las compañías de satélites cumplen con sus planes actuales. También debido a la geometría de la luz solar y las órbitas que se han elegido, 50 grados al norte, será la parte del mundo más afectada.

Sin regulación, entonces en un futuro cercano, uno de cada 15 puntos que puedes ver en el cielo serán en realidad satélites que se arrastran implacablemente, no estrellas. Esto será devastador para la investigación astronómica y cambiará por completo el cielo nocturno en todo el mundo. La publicación a continuación lo aborda:

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