Físico e Ingeniero Aeroespacial en NASA • Johnson Space Center
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Sobre la basura espacial

La semana pasada, la prensa se hizo eco del impacto de un minúsculo residuo de basura espacial en una de las ventanas de la cúpula de la Estación Espacial Internacional. Si bien no ha existido ni existe ningún riesgo para la tripulación, el impacto no deja de ser un recuerdo de un problema que hay que evitar que aumente.

La semana pasada, la prensa se hizo eco del impacto de un minúsculo residuo de basura espacial en una de las ventanas de la cúpula de la Estación Espacial Internacional. Si bien no ha existido ni existe ningún riesgo para la tripulación, el impacto no deja de ser un recuerdo de un problema que hay que evitar que aumente.

Se estima que existen unos 17.000 objetos artificiales con un tamaño igual o mayor a 10 centímetros (cm) en órbita alrededor de la Tierra. De ellos, unos 2.000 son etapas de cohetes casi vacías de combustible que cumplieron su misión de lanzar los satélites que portaban, otros tantos son objetos eyectados por vehículos espaciales o satélites en el transcurso normal de sus operaciones (cofias de cohetes, adaptadores, cubiertas de lentes o de equipos, etc.), unos 4.000 son satélites de todo tipo, y cerca de 10.000 son fragmentos resultado principalmente de explosiones de distinta naturaleza y, en menor medida, de colisiones en el espacio.

Las principales causas de estas explosiones son debidas a la presencia de combustible residual y de fluidos a alta presión en etapas de cohetes o en satélites una vez dejan de ser operativos. El medio ambiente espacial puede acabar deteriorando la integridad estructural de muchos elementos con el tiempo hasta ocasionar fugas de combustible o rupturas de tanques que pueden llevar a la explosión.

Dos colisiones en el espacio han aportado hasta 6.000 de esos 17.000 fragmentos de tamaño mayor de 10 cm que se han podido contabilizar desde tierra. La colisión accidental en 2009 entre los satélites Iridium 33 y Kosmos 2251 generó unos 2.000 de ellos, mientras que la destrucción del satélite Fengyun 1C por parte de un misil lanzado desde China durante una demostración militar (colisión intencionada) supuso la adición gratuita de unos 4.000 fragmentos, lo que supone el 25% de la cantidad de escombro con tamaño igual o mayor de 10 cm que hay en el espacio.

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Cráter de casi 1 milímetro en una ventanilla del Columbia debido al impacto de una partícula expelida por un cohete de combustible sólido. Fuente: NASA.

Por otra parte, también hay partículas de residuos con tamaños de milésimas de milímetro o de milímetros presentes en el espacio pero que no son necesariamente producto de procesos explosivos o de colisiones. Tales partículas pueden ser motas que se desprenden de finas capas de material protector debido a la degradación que sufren estos materiales en el medio ambiente espacial, o partículas que han sido expelidas por el encendido de cohetes de combustible sólido o por sistemas de refrigeración.

Todos estos fragmentos y partículas de tan diverso tamaño quedan en órbita alrededor de la Tierra y, por tanto, se mueven a velocidades muy altas, de unos 7 u 8 kilómetros por segundo (km/s). A la hora de calcular la energía de un impacto debe considerarse, además de la masa del escombro, la velocidad relativa entre este y el vehículo impactado. Esta velocidad relativa suele ser también muy alta, y se estima que está en torno a los 10 km/s de media. La velocidad relativa es mucho mayor en impactos con micrometeoritos, pero solo el flujo de micrometeoritos con tamaños entre una décima de milímetro y un milímetro supera el de los residuos artificiales.

Con el tiempo, las órbitas de estos fragmentos van decayendo hasta que acaban reentrando en la atmósfera, donde se desintegran en mayor o menor grado. El tiempo que transcurre hasta su reentrada depende principalmente de su altitud. En líneas generales, y dependiendo del tipo de órbita baja, los escombros por debajo de los 600 km tardarán unos pocos años en reentrar. Por encima de esa altitud, la duración puede ser de décadas, o incluso del orden de un siglo si la altitud supera los 1000 km.

Todos los años efectúan su reentrada en la atmósfera numerosos elementos que hasta ese momento fueron escombro orbital. A lo largo de 2015, por ejemplo, se registraron más de 450 reentradas de satélites, etapas de cohetes y escombros catalogados de los que 163 fueron de fragmentos procedentes de los satélites Fengyun 1C, Iridium 33 y Kosmos 2251. La nave más antigua en hacer su reentrada el año pasado fue el satélite ruso de telecomunicaciones Molniya 1/42, lanzado en 1978; y el escombro de origen más antiguo que hizo su reentrada en 2015 fue un fragmento asociado al Vanguard 3, lanzado por EEUU en 1959.

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Reentrada en la atmósfera en 2015 del objeto catalogado como WT1190F. Se piensa que era parte de alguna nave de exploración lunar o interplanetaria. Fuente: IAC/UAE/NASA/ESA.

Aunque desde tierra se pueden detectar objetos de 10 cm en órbitas geosíncronas (de casi 36.000 km de altitud) y de unos pocos milímetros en órbitas bajas de la Tierra (hasta los 2.000 km de altitud), son los objetos mayores de 5 o 10 cm en órbitas bajas y los de tamaño de un metro o mayores en órbitas geosíncronas los que son seguidos y catalogados por redes de vigilancia terrestre. Se trata de una cuestión práctica ya que el número de fragmentos con tamaños entre uno y 10 cm se sitúa en los centenares de miles, siendo el número aún mayor para objetos de menor tamaño de un cm: de decenas de millones.

Sin menospreciar el problema, a pesar de todos estos datos, la probabilidad de colisión grave en el espacio es muy baja. Aunque los impactos con micrometeoritos y escombros de muy pequeño tamaño son relativamente frecuentes, las naves espaciales están protegidas para sobrevivir a impactos de escombros de hasta un cm de tamaño. Durante los 15 años de operaciones de la estación Mir, los daños más significativos se registraron en sus paneles solares, desprotegidos frente al impacto de partículas y fragmentos orbitales, pero nunca ningún impacto fue causa de reducción en las capacidades operativas de la estación. La ISS, orbitando a una altitud de unos 400 km, presenta una situación similar.

En cualquier caso, cuando la red de vigilancia espacial de EEUU (U.S. Space Surveillance Network) proyecta el paso de una pieza seguida por esta red a unos km de la ISS, la NASA estima la probabilidad de colisión. La estación espacial efectuará una maniobra evasiva si la probabilidad de colisión es de una entre 100.000 y si dicha maniobra no interfiriera significativamente en las operaciones que se estuvieran llevando a cabo. En caso de una probabilidad de uno en 10.000, la maniobra evasiva se llevará a cabo si no entraña riesgo para la tripulación. Estas maniobras evasivas son pequeñas pero, en el caso de la estación, requieren de unas 30 horas para ser planeadas y ejecutadas, con lo que las notificaciones de riesgo de colisión deben ser emitidas con la adecuada antelación.

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Número de maniobras evasivas efectuadas por la ISS cada año. Fuente: NASA.

Como se puede ver en la gráfica anterior, la ISS ejecutó hasta cuatro maniobras evasivas en 2015. Además, el 16 de julio de 2015, debido a la notificación tardía de un posible impacto, la tripulación fue dirigida a las naves Soyuz como precaución. Pero no solo la ISS ejecuta maniobras evasivas; otros satélites también lo hacen si tienen la capacidad. Así, por ejemplo, la NASA ejecutó hasta 26 maniobras evasivas en algunos de sus satélites durante 2015, 5 de ellas para evitar posibles impactos con fragmentos del satélite chino Fengyun-1C y 8 para evitarlos con los procedentes de la colisión entre el Iridium 33 y el Kosmos 2251.

Directrices recomendadas para limitar la producción de escombro espacial

A pesar de las bajas probabilidades de colisión con efectos operativos negativos de alcance, la basura espacial ciertamente presenta un problema, especialmente en las órbitas bajas de la Tierra, donde está catalogada el 75% de toda la basura espacial. De no tomarse medidas, el problema debería hacerse mayor ya que todo indica que la actividad espacial seguirá aumentando en el futuro. Se han propuesto conceptos para la recogida de escombros en el espacio pero las medidas más sensatas y prometedoras a mi juicio son las dirigidas a mitigar o prevenir la producción de basura espacial en primer lugar.

En la actualidad no existe un marco de legislación internacional que obligue a los estados a limitar o reducir su producción de residuos en el espacio, pero sí existen directrices y prácticas recomendadas a este fin cuyo cumplimiento voluntario se trata de fomentar. Tales son las medidas propuestas por el Comité para el Uso Pacífico del Espacio Exterior, dependiente de Naciones Unidas, y que fueron recogidas por primera vez en un informe técnico en 1999.

De forma breve, estas medidas se organizan en torno a varios aspectos generales. Uno es el de la reducción de residuos derivados del curso normal de operaciones de satélites y etapas de cohetes: reducir o evitar la eyección de cubiertas de sensores, de mecanismos de separación, de artículos que dejan de ser necesarios, etc., además de, por supuesto, evitar la destrucción intencionada de satélites u otros objetos en el espacio. Otro tiene que ver con el diseño del perfil de la misión, de forma que se establezca para reducir la probabilidad de colisión con otros elementos en órbita durante la vida operativa.

Un tercer punto tiene que ver con la prevención de explosiones o rupturas explosivas accidentales durante y después de la fase operativa. Con este punto se pretende que en los análisis que se lleven a cabo durante la fase de diseño se llegue a demostrar que no hay fallos creíbles que pudieran llevar a explosión y que, de existir, se incluyan salvaguardas para evitar consecuencias explosivas incluso si el satélite no es recuperable operativamente hablando.

En línea con este punto y también para evitar explosiones al final de la vida útil, se recomienda la inclusión de medidas para agotar o asegurar todas las fuentes de energía a bordo: baterías, combustible, o cualquier clase de fluido o sistema de alta presión para que no haya posibilidad de explosión futura. En caso de que la expulsión de combustible, de gas o de cualquier otra clase de fluido al final de la vida útil de un elemento espacial tenga consecuencias propulsoras, se deberá tener en consideración la posibilidad de afectar a otros satélites así como la de perseguir su abandono de zonas orbitales congestionadas.

Por último, se proponen medidas para limitar la presencia de satélites y etapas propulsoras en las órbitas bajas de la Tierra y en órbitas geosíncronas de forma que al final de sus vidas útiles se efectúen maniobras orbitales que provoquen bien su reentrada en menos de 25 años o bien que los lleven a órbitas de almacenamiento donde no interfieran con órbitas de uso común.

Si bien la adherencia a estas directrices es voluntaria, hay agencias espaciales como la NASA o la ESA que las han adoptado aumentado, de hecho, su alcance y especificidad. Esperemos que el sentido común prevalezca a la hora de reducir el número de residuos en el espacio para así reducir el riesgo de posibles accidentes en el futuro.

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