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| Fuente: Foto de la Agencia Espacial Europea (ESA), http://bit.ly/O99yYg |
La intensa actividad espacial a lo largo del último medio siglo y la ausencia de un mecanismo natural eficaz que devuelva los objetos lanzados a la Tierra, han dado lugar a lo que hoy conocemos como basura espacial. Ésta incluye a los objetos no funcionales en órbita; es decir, a satélites fuera de servicio, a etapas superiores de los lanzadores y a una enorme población de fragmentos fruto de explosiones y colisiones. En total hay unas 6000 toneladas de basura espacial que, debido a la elevada velocidad orbital (unos 8km/s), pueden producir graves daños en los satélites operativos. El problema de la basura espacial es especialmente grave en órbitas LEO (Low Earth Orbit) de inclinación casi polar y altura entre 800 y 1000 km ya que en ellas se encuentran los satélites más grandes y de mayor masa.
Modelos de ESA y NASA indican que, incluso aunque no hubiera nuevos lanzamientos, el número de objetos en órbita aumentará. Esto es debido a que se ha superado la densidad de basura crítica que desencadena lo que se conoce como síndrome o cascada de Kessler. Es decir, la densidad actual de basura espacial es tal que el número de objetos producido por la fragmentación realimentada de basura es mayor que la desaparición por reentrada en la atmósfera. La última colisión ocurrió en 2009, cuando el satélite ruso no operativo Cosmos 2251 colisionó con el satélite en servicio Iridium 33, dando lugar a alrededor de tonelada y media de peligrosa metralla.
Una solución a largo plazo consiste en deorbitar, es decir traer de vuelta a la Tierra, todos los satélites y etapas superiores de los lanzadores al final de su vida útil. También será necesario limpiar las órbitas más críticas mediante misiones que capturen varios objetos fuera de servicio y los deorbiten posteriormente en lo que se conoce como Active Debris Removal. En ambos escenarios es imprescindible una tecnología de deorbitado que sea ligera, fiable, eficaz en LEO, útil en un rango amplio de masas de satélites, y que permita evitar una posible colisión durante la maniobra de deorbitado.
Las tecnologías de deorbitados actuales pueden organizarse en dos familias. Por un lado, se encuentran los sistemas propulsivos en donde se incluyen los cohetes químicos y los motores eléctricos (propulsión por plasmas). Los primeros gozan de una alta fiabilidad pero su implementación tendría, entre otros inconvenientes, un coste muy alto; la masa de combustible necesaria podría representar alrededor del 20% de la masa del satélite y colocar 1kg de masa en órbita cuesta alrededor de 10000€. La propulsión eléctrica, que es una tecnología menos madura y fiable, puede reducir drásticamente la masa de combustible, pero a cambio haría falta un sistema de potencia y un control de actitud durante el largo deorbitado.
La segunda familia de tecnologías de deorbitado, llamadas disipativas, incluye a las velas y a las amarras espaciales y no necesitan combustible ni control preciso de actitud. Funcionan gracias a que, de manera natural, aparece sobre ellos una fuerza de resistencia que se encarga de disipar la energía orbital provocando el deorbitado del satélite. En la vela la resistencia es de tipo aerodinámica, fruto del movimiento relativo entre ésta y el aire. En la amarra espacial, que es un cable conductor muy largo, se produce una fuerza de resistencia de origen electrodinámico, gracias al movimiento relativo entre la amarra y el plasma espacial en presencia del campo magnético terrestre. Sin embargo, a las alturas a las cuales la basura espacial es un problema, la densidad del aire es muy baja y las velas son muy ineficaces. Por el contrario, la densidad de plasma y la intensidad del campo geomagnético permiten que, en caso de que se desarrolle la tecnología necesaria, las amarras espaciales puedan ser la solución más baratas, sencilla y eficaz.
Mercado
Llevar a bordo una tecnología de deorbitado para eliminar el satélite o etapa superior del lanzador al finalizar su misión es algo, en principio, económicamente improductivo por lo que es posible que encuentre una resistencia inicial por parte del sector. Sin embargo, existe ya un acuerdo general en las agencias espaciales y organismos internacionales sobre la insostenibilidad del modelo actual y la necesidad de tomar medidas. Por ejemplo, en el año 2002 el IADC (Inter-Agency Space Debris Coordinating Committee), integrado entre otros por ESA, NASA y las agencias nacionales de China, Japón y Rusia, emitió el Space Debris Mitigation Guidelines, el cual incluye una serie de medidas que deben considerarse en las fases de planificación, diseño y operación de las misiones. En el año 2007, un Subcomité Científico y Técnico del COPUOS (Committee on the Pacific Uses of Outer Space de las Naciones Unidas) adoptó las Space Debris Mitigation Guidelines del IADC. Independientemente del problema de sostenibilidad del modelo a medio y largo plazo, las pérdidas económicas puntuales debido a una colisión (como la de Cosmos 2251 e Iridium 33) son muy importantes. Estos eventos amenazan ya a un sector que en la próxima década espera lanzar unos 1000 satélites, con un coste de fabricación y lanzamiento de alrededor de 150 mil millones de euros.
Es altamente probable que, si se demuestra de manera repetida la eficacia de un sistema de deorbitado económico, se alcanzaría un acuerdo internacional que obligará a deorbitar los objetos lanzados al finalizar su misión. En ese momento se abrirá, empujado por los cambios legislativos, el mercado aeroespacial para las tecnologías de deorbitado. Áquellas más fiables, ligeras y baratas de fabricar irán embarcadas en cada satélite u objeto lanzado. Incluso aunque tal acuerdo internacional no se alcanzara por motivos políticos o económicos, habría compañías interesadas en deorbitar sus satélites por motivos ecológicos o de marketing. Además, al existir órbitas críticas bajo el síndrome de Kessler, también será necesario llevar a cabo en el futuro misiones de Active Debris Removal que necesitarán embarcar una tecnología de deorbitado.
Las amarras espaciales y el proyecto BETs
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| Consorcio del Proyecto BETs |
Una amarra espacial desnuda es una cinta de material conductor sin aislante de unos pocos kilómetros de largo, varios centímetros de ancho y decenas de micras de espesor. Mientras el satélite está activo, la amarra se encuentra enrollada de forma compacta en un carrete y, tras finalizar la misión, se despliega según la vertical local. Funciona de manera totalmente pasiva gracias a su movimiento relativo al plasma magnetizado de la ionosfera. Los electrones del plasma son capturados por la amarra y eyectados por un pequeño dispositivo llamado contactor de plasma, que se enciende una vez la amarra se encuentra desplegada. El resultado es una fuerza de frenado de Lorenz del campo geomagnético sobre la corriente en la amarra. El sistema no necesita combustible ni sistema de potencia; de hecho la amarra transforma la energía orbital en eléctrica, que podría ser utilizada por el satélite si fuera necesario. Además, apagando momentáneamente el contactor, se interrumpe la maniobra de deorbitado, lo cual puede ser útil si hubiera que evitar una colisión.
BETs es un proyecto FP7/Space financiado por la Comisión Europea y coordinado por el catedrático emérito de la UPM Juan R. Sanmartín Losada, quien introdujo el concepto de amarra desnuda en 1993. Se ha llevado a cabo entre el 1 de noviembre de 2010 y el 1 de febrero de 2014 y está dedicado al desarrollo de la tecnología necesaria para deorbitar basura espacial con amarras espaciales. El proyecto ha reunido a un equipo multidisciplinar de expertos en tecnología de amarras con el objetivo de alcanzar un TRL (Technology Readiness Level) igual a 5, es decir, dispuesto para realizar una demostración en órbita. Los trabajos de BETs abarcan desde la simulación numérica de la dinámica y la captura de corriente de la amarra, hasta el desarrollo de hardware de subsistemas básicos como el contactor de plasma, la electrónica, el mecanismo de despliegue o la propia cinta. Una demostración en órbita, como la que se convocará en el otoño de 2014 del Programa H2020, podría colocar en caso de éxito a las amarras a las puertas de su comercialización.
El software BETsMA
La labor investigadora de la UPM en BETs ha abarcado diferentes aspectos de las amarras como el diseño de misión, la probabilidad de fallo por impacto con objetos, el uso de materiales con baja función de trabajo como sustitutivos de los contactores de plasma o el estudio teórico y numérico de la captura de corriente. Uno de los resultados más significativos ha sido un desarrollo universal de una primera elección de la geometría de la amarra (largo, ancho y espesor) para una misión genérica, que ha culminado en el software BETsMA.
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| Pantalla del software BETsMA |
BETsMA es una herramienta informática de manejo muy sencillo que permite a usuarios no especializados obtener los valores más significativos de una misión con amarras. Junto a la geometría óptima para una misión dada, el programa calcula las principales figuras de mérito del sistema, incluyendo el tiempo de deorbitado, las masas de los diferentes subsistemas, la trayectoria del satélite y la probabilidad de supervivencia de la amarra. El usuario interacciona a través de una interfaz muy intuitiva y analiza los resultados con una herramienta que está integrada en el propio programa.
Un simulador de vuelo, como BETsMA, que abarque de manera integral el diseño y las actuaciones de las misiones con amarras, puede ser muy útil a las agencias espaciales, las empresas del sector y los grupos de investigación especializados. Con BETsMA se pueden llevar a cabo estudios de misión en un rango amplio de condiciones orbitales, así como evaluar sus costes. Dichos estudios son actualmente muy relevantes ya que es necesario comparar las actuaciones de las diferentes tecnologías de deorbitado para tomar decisiones sobre por cuál de ellas se debe apostar en el futuro. Los resultados de BETsMA han sido validados con trabajos publicados en revistas especializadas y otros simuladores de vuelo de amarras. La UPM ya ha iniciado su proceso de registro y comercialización.
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| Pantalla del software BETsMA |
Reseña del grupo de I+D
El consorcio BETs está formado por la UPM (coordinador), Universitá di Padova, emxys, DLR, ONERA, Tecnalia y Colorado State University. El Prof. J. Sanmartín ha sido investigador principal en diferentes Proyectos del Plan Nacional sobre amarras espaciales. En el periodo 2005-2009 dirigió la tesis doctoral de Gonzalo Sánchez Arriaga sobre la excitación con amarras espaciales de un frente de ondas no lineal en plasmas magnetizados. G. Sánchez Arriaga, actualmente Profesor de la ETSI Aeronáuticos, disfrutó de un contrató postdoctoral de dos años en la Commissaria á l’Energie Atomique (París) y es experto en física de plasmas computacional.
Nota técnica realizada por:
Dr. Gonzalo Sánchez Arriaga
Profesor de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Aeronáuticos
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