Assessing Collision Probability in Low-Thrust Deorbit
Este artículo evalúa el riesgo de colisión asociado con las misiones de desorbitación de satélites de bajo empuje y realiza estudios paramétricos para analizar la relación entre el tiempo de reentrada y la probabilidad de colisión.
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El espacio alrededor de la Tierra se está volviendo cada vez más congestionado. Más allá de los satélites familiares que impulsan nuestras comunicaciones globales y pronósticos meteorológicos, existe una población creciente de naves espaciales fuera de servicio y fragmentos de colisiones pasadas, todos orbitando a altas velocidades. Estos desechos representan una seria amenaza para los satélites activos; una sola colisión puede destrozar una nave espacial en miles de piezas nuevas, creando una reacción en cadena que podría dejar regiones orbitales enteras inutilizables. Para prevenir esto, las agencias espaciales y los operadores siguen una regla que exige que los satélites sean retirados de la órbita dentro de los veinticinco años posteriores a la finalización de su labor. Sin embargo, a medida que las empresas planean lanzar decenas de miles de nuevos satélites en la próxima década, el simple hecho de esperar a que las fuerzas naturales los atraigan hacia abajo puede ya no ser suficiente. Para los satélites que se han averiado o que no pueden moverse por sí mismos, necesitamos nuevas formas de empujarlos fuera del cielo de manera segura.
Un método prometedor consiste en utilizar un láser para empujar suavemente un satélite varado hacia la Tierra. En lugar de agarrar físicamente el objeto, un rayo láser golpea la superficie del satélite, calentando un pequeño punto hasta que el material se vaporiza y sale disparado como vapor. Esto crea un pequeño empuje continuo que reduce lentamente la órbita del satélite. Aunque esto suena eficiente, el proceso es increíblemente lento, tardando años en completarse. Cuanto más tiempo permanezca un satélite en la congestionada atmósfera superior, mayor será la probabilidad de que choque con otro objeto. Los investigadores Shuta Fukii y su equipo de la Universidad de Kyushu y SKY Perfect JSAT Corporation se propusieron comprender este delicado equilibrio. Querían saber cómo la velocidad de este empuje láser afecta el riesgo de una colisión y si existe un "punto ideal" donde el satélite descienda lo suficientemente rápido para estar seguro, pero no tan rápido como para que el láser se agote.
Para encontrar la respuesta, el equipo construyó una simulación computacional detallada de un satélite de 150 kilogramos, aproximadamente del tamaño de un coche pequeño, que deriva en una órbita alta. Imaginaron un satélite de servicio sobrevolando cerca, disparando un láser para empujar al objetivo. Los investigadores probaron cuatro estrategias diferentes para determinar cuánto tiempo debería disparar el láser durante cada órbita. En un caso extremo, el láser disparaba constantemente, empujando al satélite todo el tiempo. En el otro, disparaba solo durante un cuarto de la órbita, específicamente cuando el satélite estaba en su punto más alto. El objetivo era ver cómo estos diferentes patrones de disparo cambiaban el tiempo que le tomaba al satélite caer de regreso a la Tierra y cuántos años pasaba en las zonas más peligrosas y llenas de escombros.
Las simulaciones revelaron un compromiso sorprendente. Cuando el láser disparaba constantemente, consumía su energía disponible muy rápidamente, dejando que el satélite descendiera por su cuenta durante muchos años después. Este descenso largo y lento a través de la atmósfera superior en realidad aumentaba el riesgo total de un choque. Por el contrario, disparar el láser de forma demasiado breve significaba que el satélite tardaría mucho tiempo en descender, aumentando también el riesgo. El equipo descubrió que el mejor enfoque era disparar el láser durante la mitad de la órbita, centrado alrededor del punto más alto. Esta estrategia permitía que el satélite bajara su trayectoria de manera eficiente sin desperdiciar la energía del láser. Al usar este método del "cincuenta por ciento", el satélite podía alcanzar la atmósfera inferior en unos cuatro años, mientras que el método de disparo constante tardaba casi nueve años en completar el mismo viaje.
El estudio también analizó las consecuencias de un choque. Incluso si ocurriera una colisión, los investigadores calcularon la probabilidad de una explosión catastrófica que creara una enorme nube de nuevos escombros. Sus resultados mostraron que la probabilidad de tal desastre era extremadamente baja, muy por debajo de los límites de seguridad establecidos por las directrices espaciales internacionales. Sin embargo, también encontraron que cuanto más larga es una misión, más fragmentos es probable que se generen si ocurre una colisión. Esto se debe a que el satélite pasa más tiempo expuesto a la corriente de basura espacial. Los investigadores también examinaron los ángulos en los que el satélite podría ser golpeado, pero descubrieron que la forma de la órbita no cambiaba significativamente la dirección de los escombros entrantes, lo que significa que el perfil de riesgo se mantenía constante independientemente del patrón de disparo específico.
En última instancia, este trabajo proporciona una hoja de ruta clara para diseñar futuras misiones de limpieza espacial. Demuestra que simplemente empujar con la mayor fuerza posible no es la forma más efectiva de limpiar el espacio. En cambio, un enfoque medido que equilibre el uso del láser con la resistencia natural de la atmósfera produce el resultado más seguro. Al elegir el programa de disparo adecuado, los operadores pueden asegurar que un satélite varado sea retirado del cielo en el menor tiempo posible, minimizando su exposición al entorno congestionado y protegiendo el futuro de los vuelos espaciales para todos.
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