Basura espacial

Distribución de desechos espaciales. Cada punto marca un objeto en el catálogo, típicamente> 5 cm. (no escalar)

Los desechos espaciales , también llamados basura espacial , consisten en objetos artificiales sin valor práctico, que se encuentran en órbitas alrededor de la Tierra y representan un peligro para los viajes espaciales .

Según modelos como MASTER-2005 (Meteoroid and Space Debris Terrestrial Environment Reference) de la ESA , hay más de 600.000 objetos con un diámetro superior a 1 cm en órbitas alrededor de la Tierra. Se observan continuamente alrededor de 13.000 objetos desde 5 cm utilizando el Sistema de Vigilancia Espacial de EE . UU . El Centro de Operaciones Espaciales Conjuntas del Comando Estratégico de los Estados Unidos conoció en 2009 de más de 18,500 cuerpos celestes creados por el hombre.

Como parte de las campañas de medición, se realizan mediciones esporádicas con sistemas de radar y telescopios para registrar al menos estadísticamente objetos más pequeños y validar modelos de desechos espaciales como MASTER. Esto se logra utilizando un radar biestático con el radiotelescopio Goldstone de hasta 2 mm de diámetro para objetos en órbita cercana a la tierra (LEO). Los telescopios ópticos tienen el tamaño límite más pequeño para la órbita geoestacionaria (GEO): el telescopio de desechos espaciales de la ESA en el Observatorio del Teide en Tenerife alcanza los 10 cm .

Impacto en el ala de células solares del satélite SMM . El agujero tiene 0,5 mm de diámetro, el impactador significativamente menor.

Las superficies de satélites recirculadas son otra fuente de información sobre la distribución de los desechos espaciales. Estos incluyen las células solares del telescopio espacial Hubble . En este último se registraron y evaluaron un gran número de cráteres de impacto. Los análisis espectroscópicos permitieron sacar conclusiones sobre la composición y, por tanto, las posibles fuentes de los objetos impactados.

distribución

Dependencia de la altura de la densidad numérica de partículas mayores de 1 mm. Datos de 2001

El número de partículas varía con la altura. Por debajo de los 400 km se queman en unos pocos años. Se acumulan en las órbitas de 600 km a 1500 km ( órbita síncrona con el sol ) y 36.000 km (órbita geoestacionaria), que son las preferidas por los satélites .

Número por m² y año en función del tamaño de partícula

El flujo de partículas (número de partículas que pasan por un área de un metro cuadrado por año) varía con el tamaño. En varios órdenes de magnitud, la distribución medida (curva roja en el diagrama) sigue una ley de potencia con un exponente de 4 (línea recta azul). Estas partículas son meteoroides de origen natural. La desviación para partículas menores de 0,1 mm es causada por el viento solar. Los desechos espaciales dominan por encima de los 10 mm.

Riesgos

La velocidad relativa entre los desechos espaciales y un satélite cercano a la Tierra con una alta inclinación de la órbita es del orden de diez kilómetros por segundo. Debido a la alta velocidad, una partícula con una masa de 1 g tiene una energía de 50 kJ, que corresponde a la fuerza explosiva de unos 12 g de TNT , por lo que tanto la partícula como el material golpeado inmediatamente explotan.

Los módulos tripulados de la Estación Espacial Internacional (ISS) están equipados con escudos de meteoroides de doble pared ( escudo Whipple ) y pueden soportar impactos de desechos espaciales de varios centímetros de diámetro debido al efecto de dispersión generado por el impacto en la primera pared.

Incluso ahora, la probabilidad de falla de los satélites operativos causada por los impactos de los desechos espaciales ya no puede pasarse por alto en algunas órbitas. Incluso los impactos de partículas más pequeñas hasta el rango submilimétrico pueden dañar cargas útiles sensibles o perforar trajes espaciales.

En 2007, la República Popular China derribó deliberadamente desde tierra su satélite meteorológico Fengyun-1C para demostrar sus capacidades de misiles antisatélite . Sin embargo, esto resultó en una nube de al menos 40.000 piezas de escombros en el espacio. La colisión accidental más grande en el espacio hasta la fecha fue la colisión del satélite el 10 de febrero de 2009 . Un satélite de comunicaciones ruso desactivado y un satélite Iridium chocaron a una altitud de 789 km sobre el norte de Siberia. Ambos satélites fueron destruidos. La colisión liberó una cantidad significativa de desechos espaciales adicionales.

La tasa de colisión de objetos del orden de 10 cm con uno de los muchos satélites se estima en un evento cada 10 años.

La Estación Espacial Internacional tripulada, pero también muchos de los satélites, son capaces de realizar maniobras evasivas para evitar una colisión (probabilidad p = 1 / 10,000) con uno de los aproximadamente 13,000 objetos cuyas órbitas son seguidas continuamente. El satélite de observación de la Tierra Envisat llevó a cabo dos de esas maniobras en 2004 . Los transbordadores espaciales como el Discovery tuvieron que realizar un total de seis maniobras evasivas. La ISS había llevado a cabo con éxito ocho maniobras evasivas en 2009.

cantidades

En la primavera de 2010, se habían realizado alrededor de 4700 lanzamientos de cohetes con unos buenos 6100 satélites en 50 años de viajes espaciales. De esto, quedaron 15.000 fragmentos de cohetes y satélites, hasta completar las etapas superiores. Según el catálogo de EE. UU., Son 15.000 objetos de al menos diez centímetros de tamaño, y probablemente hay 7.000 objetos en secreto. Si el tamaño mínimo se reduce a un centímetro, se estiman 600.000 objetos, a los que se añaden alrededor de un millón de partículas más pequeñas. Esto da como resultado una masa total de desechos espaciales de aproximadamente 6300 toneladas, de las cuales el 73% de los objetos están en órbita cercana a la tierra (LEO), pero esto es solo el 40% de la masa total, es decir, aproximadamente 2700 toneladas. La altura de 800 kilómetros, la ruta de vuelo preferida de los satélites de reconocimiento, se ve particularmente afectada. La ISS vuela entre 350 y 400 kilómetros; Hasta ahora, ha tenido que evitar objetos de más de un centímetro varias veces. En la órbita geoestacionaria (GEO) a una altitud de 36.000 kilómetros alrededor de la Tierra, solo se ubica el 8% de los fragmentos, pero aquí los grandes satélites de telecomunicaciones, con un peso de toneladas, con un peso total estimado del 33%, es decir alrededor de 2000 toneladas. El 19% restante de los objetos con el 27% de la masa se encuentran en otras pistas.

Fuentes y sumideros

Creación de nuevos desechos espaciales

Además de los satélites que ya no se utilizan, hay una gran cantidad de eventos y mecanismos que conducen a la creación de desechos espaciales.

Cohete Delta II de segunda etapa separado en órbita, capturado por el satélite experimental XSS 10

Objetos relacionados con la misión

Objetos lanzados como parte de objetos relacionados con la misión (MRO), como pernos explosivos y cubiertas. También etapas superiores de cohetes enteros y dispositivos de doble lanzamiento que entran en órbita con satélites o sondas espaciales y permanecen allí.

El cohete de la etapa superior de la misión de la sonda espacial Surveyor 2 es un caso inusual : regresó temporalmente a la órbita terrestre en 2020 y fue noticia porque inicialmente fue confundido con un asteroide del cinturón principal "capturado".

Una pieza de aluminio de una prueba de un transbordador espacial - Boosters

Explosiones

de satélites o etapas superiores: estos son causados ​​por detonaciones deliberadas, por la ignición de combustibles residuales de etapas superiores y por la evaporación de componentes de combustibles criogénicos en etapas superiores en las que aún quedan residuos de combustible. La expansión de estos combustibles durante la evaporación puede hacer estallar las etapas superiores. Las explosiones también pueden ser provocadas por descargas en las baterías de los satélites. Se cree que se han producido alrededor de 200 explosiones en órbita desde que comenzaron los viajes espaciales.

Satélites asesinos

Satélites que se utilizaron durante la Guerra Fría, y probablemente todavía hoy, específicamente para neutralizar satélites espías enemigos. La mayoría de ellos provocan de forma autodestructiva una colisión intencionada con el objetivo, a veces acompañada de una explosión. Ni su número ni el de sus víctimas se conocen públicamente, ya que tanto ellos como sus objetivos están bajo el más estricto secreto militar.

los carriles de fragmentos de Fengyun-1C catalogados un mes después de la prueba ASAT

Distribución de alturas de los fragmentos en LEO según Fengyun-1C y la colisión en 2009

Misiles antisatélite (ASAT)

El uso de estas armas puede arrojar los escombros creados por la destrucción de satélites (como Fengyun-1C ) a una amplia variedad de órbitas, incluidas aquellas que alcanzan grandes alturas.

Colisiones de naves espaciales

No se trata de arañazos provocados por maniobras de atraque fallidas, sino de encuentros aleatorios con alta velocidad relativa, en el GEO habitualmente con 100 a 1000 m / s, pero posiblemente también con 1,5 km / s (satélite contra etapa de transferencia Hohmann ), en el LEO con típicamente 10 km / s, que desmonta ambos misiles. Algunos ejemplos son la separación del mástil de estabilización del satélite Cerise (mástil extensible) por la etapa superior de un cohete Ariane más antiguo y la espectacular colisión del satélite el 10 de febrero de 2009 , durante la cual se encontraron más de 2000 escombros catalogados y aproximadamente medio millón de partículas de más de 1 mm. creado.

Colisiones continuas

En 1978, el consultor de la NASA Donald J. Kessler predijo el escenario conocido como Síndrome de Kessler , según el cual se formarían muchos fragmentos más grandes cuando chocaran pequeños fragmentos y meteoroides , y el problema de la basura crecería a un ritmo acelerado, incluso si no hubiera más satélites. lanzado.

Degradación superficial

El telescopio de desechos espaciales de la ESA a menudo encontró objetos brillantes cuyo rápido hundimiento en la alta atmósfera indica una relación área-masa muy alta, de hasta 30 m² / kg. Podría ser una película de protección contra el calor de los satélites.

Dipolos del oeste de Ford

A principios de la década de 1960, se suponía que una esfera difusa hecha de muchos millones de cables finos (18 mm × 0,018 mm) formaría un reflector para las comunicaciones por radio. El aislamiento durante la liberación fue solo parcialmente exitoso; se formaron copos, de los cuales un número manejable todavía deambulaba a una altitud de más de 2500 km.

Propulsión sólida

generar partículas de óxido de aluminio del tamaño de un micrómetro durante el proceso de combustión . Al final de la combustión, también pueden emerger objetos de escoria más grandes, cuyo diámetro puede alcanzar varios centímetros.

Refrigerante del reactor

de los reactores nucleares Buk basados ​​en el espacio de los satélites espías soviéticos de la serie conocida en Occidente como RORSAT . En 16 de estos satélites, el núcleo del reactor fue repelido después de que se completó la misión, liberando el refrigerante del circuito de enfriamiento primario NaK -78 (aproximadamente 8 kg cada uno). El NaK se distribuyó en gotas de varios tamaños en las órbitas de los satélites RORSAT. Sin embargo, debido a varias perturbaciones en la ruta y la rotación de la línea de unión, el NaK también se distribuye cada vez más a otras rutas.

Quema de desechos espaciales de órbitas bajas

Vida útil a diferentes alturas

Las partes en órbitas bajas se ralentizan por la resistencia del aire residual y finalmente se queman en la atmósfera . A mayores altitudes, la fricción del aire disminuye, por lo que los objetos más grandes necesitan décadas para quemarse desde una altitud de 800 km, pero unos pocos miles de años desde una altitud de 1500 km. Sin embargo, los finos cables del proyecto West Ford , en la medida en que no estaban agrupados, regresaron en unos pocos años desde una altitud de más de 3500 km, calculada con el apoyo de la presión de radiación del sol.

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  Diagramas de por vida de naves espaciales en órbitas muy elípticas a diferentes altitudes.

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  Diagramas de por vida de naves espaciales en órbitas débilmente elípticas a diferentes altitudes.

Dado que las alturas de 800 km y 1500 km se prefieren como órbitas, la amenaza para los viajes espaciales comerciales y científicos está aumentando. Los conceptos de cómo resolver este problema están fallando actualmente debido a los costos asociados.

Ejemplos de quemado parcial

Con satélites muy grandes y especialmente con componentes resistentes al calor, puede suceder que estos sobrevivan parcialmente al reingreso y que algunos fragmentos muy pesados ​​lleguen a la tierra. Los ejemplos incluyen ROSAT con espejos resistentes al calor hechos de vitrocerámica o el satélite de investigación de la atmósfera superior de 5,9 toneladas .

ocupaciones

Medidas preventivas

Para evitar colisiones con partes de los desechos espaciales, todas las partículas más grandes (a partir de 1 cm de tamaño) son rastreadas permanentemente por la NASA responsable y los observatorios militares. Si se detecta un curso de colisión con la ISS u otra nave espacial maniobrable, esto generalmente se hace con la suficiente anticipación (con varios días de anticipación) para que esta nave espacial pueda iniciar una maniobra evasiva. Dado que la ISS tiene que ser devuelta a una órbita un poco más alta de todos modos, esto no cuesta ningún combustible adicional.

Para evitar la basura espacial en todos los cohetes modernos, las etapas que entran en órbita se ralentizan nuevamente con la ayuda de un encendido adicional del motor para que se quemen en la atmósfera tarde o temprano. La ESA propone limitar el tiempo hasta el reingreso de los objetos relacionados con la misión (MRO, ver arriba ) dependiendo del área de la sección transversal:

${\ Displaystyle A \ cdot t <0 {,} 1 \, {\ text {m}} ^ {2} {\ text {y}}}$

• A - área de la sección transversal
• t - duración del uso

En las etapas superiores, que entran en órbitas altas y no pueden generar suficientes impulsos de frenado, al menos los restos de combustible se agotan o se vacían para evitar una posible explosión. En febrero de 2021, después de casi ocho años de negociaciones, la Organización Internacional de Normalización lo hizo vinculante en la norma ISO 20893. Los satélites geoestacionarios en sí ya no se utilizan hasta que los suministros de combustible se agotan por completo, sino que se colocan en la órbita del cementerio con una cierta cantidad de remanente .

Para frenar el aumento similar a una avalancha en el número de objetos pequeños causado por colisiones con otros más grandes, se ha propuesto eliminar al menos los objetos inactivos más grandes. Se han sugerido varias ideas sobre cómo deshacerse de varios objetos en una única misión prolongada. Los aspectos problemáticos son la interacción con objetos en rotación incontrolada y la gran necesidad de masa de soporte para numerosos cambios de trayectoria.

Medidas para limpiar los desechos espaciales

La empresa ClearSpace.today fue fundada en 2018 por el ingeniero Luc Piguet como un derivado de la EPFL en Lausana . En diciembre de 2019, el Consejo de Ministros de la ESA decidió probar y llevar a cabo la remoción de desechos espaciales a partir de 2025 con la misión ClearSpace-1 . Aquí, se supone que un "satélite de caza" con cuatro brazos mecánicos empaqueta un trozo de basura espacial de un tamaño adecuado y luego se lanza junto con el objeto a la atmósfera terrestre, donde ambos se queman. Con este fin, la ESA contribuyó con 90 millones de francos suizos al proyecto, que se espera que cueste alrededor de 120 millones de francos suizos en total, para eliminar una sola pieza de residuos.

Mediciones

Los desechos espaciales se pueden detectar desde el suelo utilizando telescopios ópticos o radar. Algunos radares pueden detectar partículas en el rango de milímetros en órbitas bajas. La medición exacta de los parámetros de la trayectoria y el seguimiento continuo de los objetos solo es posible con diámetros de 5 cm en LEO y 50 cm en GEO. Las trayectorias de estos objetos son seguidas continuamente por el Sistema de Vigilancia Espacial Estadounidense y sus elementos de trayectoria se publican en un catálogo de objetos. Este catálogo contiene actualmente alrededor de 13.000 objetos, pero solo los datos de la órbita de unos 9.600 objetos son accesibles al público. Las mediciones in situ son la única forma de determinar la población y los parámetros de la órbita de partículas más pequeñas. Ya se han probado varios conceptos de detectores para este propósito. Los conceptos de detectores europeos más conocidos son el detector DEBIE y el detector GORID (idéntico a los detectores Galileo y Ulysses). Ambos detectores determinan la energía de impacto de una partícula de alta velocidad a través de la composición del plasma producido por el impacto. Los electrones y los iones del plasma se separan entre sí mediante campos eléctricos y se mide el voltaje respectivo mediante rejillas cargadas. La forma y el curso temporal de los pulsos de voltaje se pueden utilizar para determinar la masa y la velocidad de la partícula impactada utilizando curvas de calibración registradas en el suelo. Además de la medición de plasma puro, el sensor DEBIE también mide el pulso de impacto a través de elementos piezoeléctricos, de modo que hay una señal de comparación para la medición de plasma. En 2007 se abandonó un plan para utilizar el recolector de desechos de área grande (LAD-C) en la EEI para capturar y analizar desechos espaciales.

Radar de seguimiento y vigilancia espacial experimental alemán (GESTRA)

El Centro Aeroespacial Alemán (DLR) desarrolló el radar de vigilancia espacial GESTRA para monitorear objetos espaciales en órbita cercana a la Tierra. Los datos de medición obtenidos son procesados comúnmente por el DLR Space Management y Air Force en Uedem (Lower Rhine) Space Location Center . Está previsto que el sistema entre en funcionamiento a principios de 2021.

Instalación de exposición de larga duración (LDEF)

El satélite LDEF fue un experimento diseñado para estudiar los efectos a largo plazo de un entorno espacial. Aunque se planeó que fuera mucho más corto, el satélite permaneció en órbita durante casi seis años antes de que fuera recuperado por la misión STS-32 y devuelto a la Tierra. Aparte de muchos daños que solo eran visibles microscópicamente, también había uno que era visible a simple vista. La investigación del satélite trajo mucha información sobre los desechos espaciales y los micrometeoritos .

Catálogos

Los catálogos sobre satélites artificiales, por ejemplo NORAD , se limitan a objetos intactos. Los desechos que resultan de una ruptura se registran en bases de datos separadas para desechos espaciales. Uno, como NORAD, es mantenido por USSTRATCOM . También es la base de la colección DISCOS ( Base de datos y sistema de información que caracterizan objetos en el espacio ) de la ESA .

Ver también

• Cementerio de naves espaciales
• Responsabilidad espacial
• Planetes : ficción japonesa en el contexto del problema de los desechos espaciales
• Comité Interinstitucional de Coordinación de Desechos Espaciales
• Gravedad (película)
• Eliminar DEBRIS

literatura

• Carsten Wiedemann, Peter Vörsmann, Heiner Klinkrad: un modelo para desechos espaciales. En: Estrellas y espacio . Octubre de 2005, págs. 30-36.
• Paula H. Krisko: El crecimiento previsto del entorno de desechos espaciales en órbita terrestre baja: una evaluación del riesgo futuro para las naves espaciales. Actas de la Institución de Ingenieros Mecánicos, Parte G: Revista de Ingeniería Aeroespacial, Vol. 221, 2007, doi: 10.1243 / 09544100JAERO192 (en línea ).
• Wolfgang Rathgeber, Kai-Uwe Schrogl, Ray A. Williamson (Eds.): El uso justo y responsable del espacio: una perspectiva internacional . Springer, Viena 2010, ISBN 978-3-211-99652-2 , vista previa limitada en la búsqueda de libros de Google.
• Michael W. Taylor: Orbital Debris - Problemas y soluciones técnicos y legales. McGill University, Montreal 2006, resumen en línea (pdf, p. 121, consultado el 2 de noviembre de 2009; 669 kB)
• P. Eichler, A. Bade: Eliminación de desechos de la órbita. Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica 1990-1366, aiaa.org
• Oficina del Programa de Desechos Orbitales (NASA): Historia de la fragmentación de satélites en órbita 14a edición Junio ​​de 2008 Historia de la fragmentación de satélites en órbita (pdf)
• Daniel Hampf, Leif Humbert, Thomas Dekorsy y Wolfgang Riede: basurero cósmico . Physik Journal (DPG) 01/2018, pág.31.

enlaces web

Wikcionario: Desechos espaciales  - explicaciones de significados, orígenes de palabras, sinónimos, traducciones

• Spiegel Online: proyectiles frenéticos en el espacio
• Oficina del Programa de Desechos Orbitales de la NASA
• Documento de posición sobre mitigación de desechos espaciales Academia Internacional de Astronáutica 2005 (PDF, 1 MB, consultado el 30 de marzo de 2009)
• Imágenes de Space Debris Video 2005
• Mapa 3D en tiempo real de desechos espaciales
• Los desechos espaciales ponen en peligro los viajes espaciales

Evidencia individual