BASURA ESPACIAL

Amparo Lozano Mayor 2004
Amzayor@wanadoo.es

Las misiones y objetos enviados al espacio desde 1957 han ido dejando una gran cantidad de restos que desde hace ya tiempo se han convertido en un grave problema en cuanto a la seguridad de las misiones por el riesgo de impacto que suponen.

De hecho, ya se ha producido más de un incidente: el 4 de julio de 1981, el satélite Kosmos 1275 se fragmentó en varios pedazos sin motivo aparente; se supone que el impacto de algún desecho fue la causa más probable de su destrucción. En 1996 el minisatélite militar francés Cerise empezó a dar tumbos tras topar con un fragmento del Arianne; un año después uno de los paneles solares del telescopio espacial Hubble fue perforado por un impacto. Por el mismo motivo la Estación Espacial Internacional (ISS) ha estado en dos ocasiones en situación comprometida, la primera en 1999 cuando tan solo constaba de dos módulos y estuvo en riesgo de que chocaran los restos de un cohete, éste pasó finalmente a 7 km. de distancia, y menos mal por que fallaron los intentos desde Tierra para desviar los módulos, y la segunda en diciembre de 2001, que obligó al trasbordador espacial a impulsarla para desplazarla ligeramente. Sin olvidar que, en un primer momento, se barajó como causa de la explosión del Columbia la posibilidad de haber chocado con un "resto".

Como hemos visto la basura es uno de los problemas más graves a los que se enfrenta la Estación Espacial Internacional. Para los ingenieros ha supuesto un reto proteger una estructura que por su tamaño,108 por 74 metros, y su tiempo de estancia en el espacio, más de una década, chocará con toda probabilidad con miles de partículas.

Existe otro peligro añadido que consiste en la caída incontrolada de estos restos a la Tierra, puesto que, en su reentrada, se desintegren o no en la atmósfera. depende de muchas variables como el tipo de material, el tamaño...Cerca de un centenar de fragmentos han llegado a la corteza terrestre desde 1958, veamos algunos de ellos: los restos de la estación espacial estadounidense Skylab, en julio de 1978, cayeron en el Océano Indico y el Oeste de Australia; fragmentos de la estación soviética Salyut 7 cayeron en Argentina en febrero de 1991. Más recientes son los incidentes de los Delta 2 (1) , en 1997 el tanque propulsor, de unos 250 kg, cayó cerca de Gerorgetown, Texas (Foto 1), tres años después otro hizo su reentrada en Sudáfrica recogiéndose dos tanques y un trozo del motor inyector y por último en el 2001 otro Delta 2 reentró sobre el Oriente Medio y la cubierta de titanio del motor, de unos 70 kg, cayó a 240 km de la capital Riad.

1. Tanque del propulsor principal de la segunda etapa de un Delta 2 (NASA)

Y aún preocupa más si se tiene en cuenta que entre los años 1961 y 1988 tanto EEUU como la URSS colocaron en órbita de la Tierra decenas de satélites militares alimentados con reactores nucleares o por pilas de plutonio que en la actualidad ya no están operativos. Esto significa que permanecen en órbita unos 1.000 kg. de combustible nuclear y unos 1.600 kg. de material radioactivo. En 1978 el satélite Kosmos 954 se estrelló en el norte del Canadá, contenía 30 Kg. de uranio enriquecido, provocando una estela de lluvia radiactiva de unos dos mil kilómetros de longitud. Otro satélite del mismo tipo, el Kosmos 1402, cayó en el Atlántico en enero de 1983, y el Kosmos 1900 sufrió un accidente en una maniobra de aparcamiento del satélite en una órbita segura y se produjo la reentrada del mismo en septiembre de 1988.

La Agencia Internacional para la Energía Atómica tiene diseñados planes de emergencia e instrucciones para actuar en estos casos de reentradas con energía nuclear, ya que estos satélites van perdiendo altura y se considera que podrían caer en unos 20 años.

Hoy en día resulta difícil determinar con precisión el momento y lugar en que va a caer un fragmento de basura espacial, diez días antes de su caída sólo se consigue una precisión de 24 horas, y un error de 5 minutos supone un error del lugar del impacto de 2.000 km.

El primer registro oficial de la generación de basura espacial corresponde al desprendimiento de una etapa del cohete Ablestar que puso en órbita al satélite Transit 4A, el 29 de junio de 1961 y tres años después se dio la primera destrucción intencional de un satélite, el Kosmos 50, al no ser recobrado según lo planeado por los soviéticos que lo pusieron en órbita y desde entonces se ha ido generando una cantidad impresionante por distintas causas que después veremos.

Los términos basura, resto o desecho espacial definen a todo objeto que se encuentra en la órbita terrestre y no es una misión operativa. El origen es diverso y podemos encontrar:
Equipos no operativos: han alcanzado el fin de su vida, puede ser que hayan sido abandonados en su órbita o bien transferidos a otras órbitas, esto es debido a que tan sólo los equipos habitados y algunos otros que se encuentren en órbitas muy bajas son devueltos a la Tierra.

Cuerpos de lanzaderas: según la órbita a alcanzar los equipos se lanzan con una o más etapas de propulsores (2). Son de gran tamaño y tienen la posibilidad de explosión a causa de sus fuentes de energía.

2. Distribución de basura en LEO (NASA)

Basura relacionada con las misiones: Son los objetos liberados en el despliegue, activación y operación de un equipo espacial, generalmente de tamaño pequeño.

Basura fragmentada: Son el resultado de una explosión o el producto del deterioro. Las explosiones crean un elevado número de pequeños objetos que tienen un amplio rango de velocidades iniciales, esto hace que los fragmentos se esparzan por distintas órbitas. Por el contrario, los fragmentos causados por el deterioro se separan de la nave o cohete con una baja velocidad relativa y por tanto no sufren un gran cambio de órbita; la pintura de las naves es uno de ellos.

En cuanto a sus dimensiones, se considera de tamaño grande la que cuenta con un diámetro mayor de 10cm y un peso mayor de 1kg. Este es el grupo del que se tiene, evidentemente, un mayor conocimiento, se ubica mayormente en las órbitas LEO (2.000km), semisíncrona (20.000km) y GEO (36.000km).

Se considera de tamaño mediano la de un diámetro entre 1mm y 10cm y un peso entre 1mg y 1kg. Se supone que esta basura media está compuesta por restos fragmentados.

3. Distribución de basura en GEO (NASA)

El grupo de basura de tamaño pequeño está formado por objetos con un diámetro menor de 1mm y un peso menor de 1mg. La cantidad de objetos de este tipo es considerablemente grande. El conocimiento que se tiene de esta basura proviene básicamente de la observación de los equipos que vuelven a la Tierra. Las fuerzas perturbadoras, afectan a esta basura de forma más intensa que a los dos tipos anteriores. Este tipo de impactos pueden alterar la capa protectora térmica y producir algún fallo en los sistemas de la nave y además la frecuencia de choque es muy elevada, por ejemplo en los 20 m² de paneles solares del telescopio Hubble hay más de 700 pequeños cráteres, y se estima la probabilidad de choque con la ISS de 1 cada 10 días.

Otro aspecto a tener en cuenta es la velocidad que pueden alcanzar. Para hacernos una idea, si nos situamos en la órbita LEO, la velocidad relativa entre objetos es de unos 10 km /s, así que un objeto de unos 80 gr. cuenta con una energía cinética equivalente a la explosión de 1 kg de TNT.
Otro ejemplo: a 400 km. de altura una partícula de pintura de 1 mm. de diámetro puede llegar a alcanzar los 6 km/s y atravesar el traje espacial de un astronauta. La probabilidad es de 1 impacto por cada 3 años. En la órbita GEO la velocidad relativa es de unos 3 km/s.

Los efectos que tienen los impactos de basura espacial sobre las naves espaciales dependen del tamaño de los restos, la velocidad de los impactos, la configuración y la composición de las naves espaciales, los componentes de los materiales que impactan, y el ángulo con el que impactan con la nave. Si el ángulo con el que impactan es mayor de 60º las consecuencias son peores. La proporción de colisiones a alta velocidad crece para objetos con orbitas con inclinaciones altas.

Con radares y telescopios ópticos se han detectado, en las distintas órbitas terrestres, unos 9000 objetos y sólo alrededor de 700 son satélites operativos, pero se estima que pueden existir más de 150.000 fragmentos con tamaños entre 1 y 20 cm no localizados, y a esto hay que añadir que la basura crece de forma exponencial debido a que las colisiones entre desechos ya existentes producen un aumento en el número de partículas pequeñas.

Todos estos restos se interponen en el camino de las naves que exploran y también obstaculizan el tránsito por las regiones de altitud más útiles en la actualidad, la LEO y la GEO . La densidad máxima en ambas es comparable (fotos 2 y 3), aunque el flujo de restos en LEO es mayor por el menor volumen de esta órbita y por la mayor velocidad que alcanzan los objetos en ella. Los lugares más concurridos por el tránsito de basura se hallan a 850, 1500 y 2000 kilómetros de la Tierra

La órbita GEO despierta mayor interés al ser la más utilizada por los satélites de comunicaciones, entre ellos los españoles Hispasat. Observaciones realizadas desde la Estación Óptica Terrestre (3) estiman que pueden existir más de 3.000 objetos con tamaños entre 15 y 100 cm. Y la probabilidad de colisión entre dos objetos con tamaño superior a 1 m es de 1/500 por año.

La preocupación por esta realidad se traduce en el esfuerzo de todas las agencias espaciales, los estudios se centran principalmente en conocer su distribución espacial y sus características. Un primer paso ha sido el seguimiento permanente de desechos, averiguando sus parámetros orbitales (periodo, inclinación, apogeo y perigeo) , pasándo a incluirse en un catálogo (4), junto con información acerca de su origen y su sección cruzada radar u óptica. Una vez determinados, continúa su seguimiento periódico ya que están sujetos a numerosas perturbaciones.

Para lograr su detección tenemos que tener presente que a medida que la altura de la órbita se incrementa, también lo hace el tamaño mínimo de los objetos detectables. A 2.000 km de altura son detectables tamaños de 10-30cm y a 5.000 km tamaños de 1 m. A partir de los 5.000 km los sensores más empleados son los ópticos que son capaces de seguir objetos de 1 m. en órbitas GEO, mientras que para órbitas más bajas se suele emplear el radar. En ambos tipos de mediciones están involucradas unas 50 instalaciones que realizan un promedio de 150.000 observaciones diarias, entre ellas el SSN (Space Surveillor Network) de EEUU con más de 20 radares y sensores ópticos y el SSS (Space Surveillor System) de Rusia con 10 radares para seguimiento de órbitas bajas y 12 dispositivos ópticos y electroópticos para órbitas más altas.

4. Instalación Expuesta de Larga Duración (NASA)

La Agencia Espacial Europea (ESA) cuenta con un Centro de Operaciones Espaciales en Alemania que tiene la misma finalidad. El proyecto para seguir y catalogar los restos espaciales comenzó en enero de 2000, lo realizan astrónomos del IAC y del Instituto de Astrofísica de la Universidad de Berna (Suiza) desde la Estación Óptica Terrestre (OGS)

Al resultar imposible seguir y caracterizar toda la basura orbital, toda aquella que no se puede seguir, se estima tomando muestras en zonas y momentos determinados, para poder tener una visión global de toda la población. Entre lo medios ópticos, la NASA ha utilizado hasta hace poco el telescopio LMT de espejo líquido (5), de 3m de diámetro que detecta basura inferior a 2 cm a más de 500 km de altura, el Michigan Orbital Debris Survey Telescope (MODEST), el 32 Centimeter CCD Debris Telescope (CDT), o el Air Force Maui Optical and Supercomputing (AMOS). En cuanto a los radares, el Cobra Dane el 70 Meter Goldstone, el Kiernan ReEntry Measurement Site (KREMS), el Eglin FPS-85, o el Haystack and HAX y el radar de ionización (6).

También se puede muestrear desde una órbita, aunque por el tipo de sensores que se requiere resulta muy caro, así se han detectado objetos de menos de 1mm a unos 1.000 km. En el año 2.000 la Fuerza Aérea de EE.UU instaló en el satélite Argo un aparato especial llamado Spadus capaz de medir el impacto de partículas muy pequeñas, y por tanto muy difíciles de detectar desde las instalaciones de observación en tierra.

Los estudios predictivos sobre la frecuencia y tipos de impacto que sufrirá una nave espacial a lo largo de su vida útil, los riesgos que se pueden producir, etc influyen en el diseño de las mismas. A la hora de mitigar los efectos de una colisión se protegen los satélites con pantallas. El primero en hacerlo fue el satélite canadiense Radarsat en 1995. Pero esta solución aumenta tanto el peso como el coste, y tan sólo es válida para impactos con desechos menores de 1cm. Con los que superan este tamaño, sólo hay una estrategia posible, huir mediante maniobras de evasión, lo que requiere dotarlos de un sistema propio de propulsión que les permita eludir el choque, y que tienen todas las naves tripuladas pero no siempre las demás. El primer transbordador espacial que tuvo que realizar uno de estos cambios de trayectoria fue el Discovery en 1991, y desde entonces se han realizado bastantes más.

En los estudios de impacto se han enviado naves con la única misión de chocar contra la basura, para luego recuperarlas y analizarlas en Tierra. Es el caso de la LDEF (Long Duration Exposure Facility) de la NASA (foto 4), que permaneció en el espacio desde 1984 a 1990 o también el ODC Colector de Restos Orbitales que utilizó un aerogel para capturar las partículas, o el EURECA (European Retrivable Carrier)(7) En este tipo de estudios el posterior análisis químico de su superficie, plagada de cráteres, permite determinar, en la mayoría de las veces, si el atacante ha sido un meteorito o un resto de basura puesto que la alta velocidad del choque y la vaporización de las partículas dificultan determinar el origen del choque. Otra fuente de análisis son los impactos en naves o equipos que regresan como el Apolo, la MIR o materiales de equipos ,como del Hubble o del satélite Max Solar (foto 5), devueltos para su reparación

Un aspecto diferente en la investigación se centra en el diseño de proyectos de limpieza. Hoy en día, la única forma efectiva de que disminuya la población de objetos en órbita es el frenado por fricción con la atmósfera terrestre, que provoca que algunos fragmentos abandonen su órbita e inicien un movimiento de caída en espiral hacia la superficie de nuestro planeta. Afortunadamente, la inmensa mayoría de estos fragmentos que abandonan su órbita se calientan tanto por la fricción con la atmósfera que se evaporan completamente antes de llegar a la superficie. Sin embargo, este mecanismo es poco eficiente para alturas mayores a unos 1000 km, debido a la baja densidad de la atmósfera por encima de este nivel, aquí los objetos pueden permanecer en órbita desde varias décadas hasta millones de años.

Pero antes de citar algunos proyectos hay que hacer justicia al Sol, como el "gran limpiador", pues como sabemos nuestra atmósfera varía siguiendo el ciclo de 11 años de actividad solar y durante los máximos de actividad, el flujo de radiación de nuestra estrella aumenta ligeramente, produciéndose una expansión de la atmósfera terrestre. Este fenómeno causa que la basura espacial sufra una mayor fricción con la atmósfera, y por tanto se vea más frenada, facilitando la caída, con lo que cada 11 años se observa un descenso del orden del 10 % en el número de fragmentos en órbita (8).

Como no es suficiente esta acción natural se hace preciso diseñar planes que posibiliten despejar el espacio de estos elementos peligrosos. Entre los diversos proyectos, se ha planteado remover objetos grandes del espacio, y de hecho el trasbordador espacial ha demostrado que puede hacerse, pero en la práctica el coste parece ser demasiado alto.

El proyecto alemán Teresa, por ejemplo, pretendía recoger los objetos grandes mediante un vehículo espacial que se enlazaría con un cable a cada trozo de chatarra. Su objetivo sería colocarlo en una órbita baja para que se destruyera al entrar en la atmósfera, mientras Teresa ascendería en busca de otro resto.

El proyecto Orión de la NASA fue otra de las soluciones esbozadas, un láser de alta intensidad, instalado en la superficie terrestre, limpiaría las órbitas. El láser debería incidir en los objetos en órbita produciendo una evaporación de parte del material de desecho y con ello un pequeño cambio en su velocidad que variaría su trayectoria hasta hacerlo entrar en la atmósfera terrestre o para enviarlo a "órbitas cementerio".

Otra posibilidad es la de incluir cables de varios kilómetros de longitud enrollados a bordo de los satélites. La idea consiste en desenrollar estos cables cuando el satélite termine su vida útil y aprovechar la diferencia de potencial que se induce entre sus extremos debido al campo magnético terrestre. Esta diferencia de potencial establece una corriente eléctrica a lo largo del cable, lo cual consume una energía que el satélite sólo puede compensar perdiendo velocidad, con lo que empieza a caer y acaba reentrando en la atmósfera.

El problema de cómo deshacerse de los objetos pequeños, muchísimo mas numerosos, parece aún mas difícil de resolver.

5. Impacto de un resto en un panel del Max Solar (NASA)

Ante esta situación era inevitable el compromiso internacional de evitar la generación de más basura espacial.. Aunque EEUU no acepta la posibilidad de una reglamentación de carácter internacional, es el único país con una reglamentación nacional sobre desechos en órbita. En 1982 la NASA ya adoptó un mayor control en sus combustibles con el fin de evitar en lo posible explosiones en el espacio y en 1988 la ONU aprobó una reglamentación prohibiendo colocar en órbita nada que pudiera causar problemas en 300 años.

En 1999 el Subcomité Técnico de la ONU para el Uso Pacífico del Espacio Exterior (UNISPACE) reunió a 185 países y dirigentes de empresas aeroespaciales y reclamó sobre todo "una mayor atención por parte de los estados miembros al problema de colisión de objetos espaciales", dictando una serie de recomendaciones como la de que se minimice el riesgo de explosiones accidentales mediante el vaciado de los depósitos de combustible y el apagado de sistemas eléctricos en las naves inactivas, que se eviten las explosiones voluntarias, o la de que se mitiguen las pérdidas de objetos, por ejemplo muchos cohetes lanzadores pueden ser diseñados de manera que sus etapas se desprendan antes de alcanzar una órbita, cayendo en la Tierra sin generar restos en el espacio.

La relevancia del problema ha motivado también la creación de una asociación de agencias nacionales, la IADC (Space Debris Coordination Comitee), que aglutina a la ESA europea, la RSA rusa, el British national Space Centre, la NASA, el CNES francés y las agencias de Japón, de India y China, y entre sus acuerdos figuran:
- Evitar explosiones en el espacio.
- Enviar menos objetos al exterior de forma indiscriminada para evitar en lo posible esta invasión e intentar que los que van no pierdan módulos.
- Intentar la reentrada controlada en la atmósfera terrestre de los satélites al final de sus vidas, sobre todo en las órbitas más pobladas.
- Enviar los satélites de la GEO a "órbitas cementerio". Esta propuesta no cuenta con la simpatía de muchos operadores, ya que supone un consumo en el viaje hasta el cementerio de parte del combustible que los mantendría operativos hasta el límite de su vida.

Como hemos visto la situación actual es la de un espacio cercano nada idílico; se encuentra atestado y lleno de desperdicios. El futuro próximo lleva a un aumento en la frecuencia de lanzamientos de satélites, de proyectos de exploraciones, y de estaciones espaciales, por lo que se hace cada vez más necesario encontrar soluciones eficaces que pasan por un compromiso firme de todos los países para su protección.

Imaginemos por un momento las consecuencias de su militarización y de una posible guerra espacial. Como hemos visto el espacio no se despeja tras una explosión, las naves no se desintegran y ya está, sino que dejan tras de sí miles de trozos de diferentes tamaños circundando la Tierra a una altísima velocidad.

Si esto ocurriera podrían hacerse realidad las palabras de la periodista Ana Goñi: " el ser humano está colocando en su carrera espacial los barrotes de una férrea cárcel planetaria de la que tal vez un día no pueda volver a escapar".

Confiemos en que no suceda.

(1) Delta 2: serie de vehículos de lanzamiento no recuperables de media capacidad, derivado de la familia de cohetes Delta cuya operatividad empezó en 1960, con más de 245 lanzamientos. Puede configurarse independientemente como un lanzador de dos o tres etapas según la órbita a alcanzar.

(2)para la órbita LEO se suele usar una etapa mientras que para la GEO se suelen usar tres.
LEO: órbita baja terrestre, abarca desde la corteza terrestre hasta una altura de 2.000 kilómetros
GEO: órbita geoestacionaria. El periodo de rotación del satélite es idéntico al de nuestro planeta, por lo que es muy conveniente para los satélites de comunicaciones, ofreciendo una cobertura constante a una zona determinada . Se ubica a 35788 km.
GTO: Orbita de Transferencia Geoestacionaria Esta órbita es muy excéntrica, con perigeos muy cercanos a la tierra (180-500 km) y apogeos situados en la órbita geoestacionaria.

(3) la Estación Óptica Terrestre (OGS) se encuentra en el Observatorio del Teide. Cuenta con un telescopio Zeiss de un metro de diámetro y cuatro cámaras CCDs, cada una de 2048x2048 píxeles, que cubren un campo de 0.7x 0.7 grados. El error de apuntado es menor que 10'' y el seguimiento mejor que 2.5'' por hora. Con este telescopio se realiza en primer lugar un mapa de los objetos situados en el anillo geoestacionario y posteriormente de los que se hallen en órbitas de transferencia geoestacionaria, determinando sus parámetros orbitales.

(4) El catálogo de referencia más importante es el que gestiona el USSPACECOM (United States Space Comand).

(5) El telescopio de espejo líquido tiene tres componentes básicos: la montura junto con el sistema de giro, el recipiente con el metal líquido reflectante y la parte superior con la instrumentación (CCD, corrector de óptica y sistema de enfoque). La NASA contó con uno hasta el año 2001 en Arizona, el Orbital Debris Obervatory de mercurio líquido. Su limitación es que sólo apunta en vertical.

(6) La NASA utiliza este tipo de radares de 50MHz para investigar los meteoritos, la basura espacial que vuelve a entrar en la atmósfera y para estudiar la desintegración de las etapas de las lanzaderas en las reentradas. Su funcionamiento se basa en la detección de la estela de ionización que dejan los cuerpos al entrar en la atmósfera. Estos radares son transportables, lo que supone una ventaja ya que un mismo radar puede observar sucesos distintos desde lugares diferentes.

(7) El portador recuperable europeo (EURECA) fue lanzado el 31 de julio de 1992 por la lanzadera Atlantis, puesto en una órbita en una altitud de 508 kilómetros y recuperado el 1 de julio de 1993. El satélite llevó varios experimentos de microgravedad, observaciones solares, y materiales tecnológicos.

(8) Durante un periodo de máxima actividad solar, entre los años 1989 y 1990, el número de objetos censados pasó de unos 7.300 a unos 6.700., un promedio de 3 objetos catalogados fueron desorbitados cada día, limpiando el espacio alrededor de nuestro planeta de más de 560 toneladas de metal en un sólo año

Rivera A, EL PAÍS 15- 7- 01
http://www.iac.es/telescopes/ogs/sd.html
http://www.lanasa.net
www.orbitaldebris.jsc.nasa.gov/ -
http://www.upv.es/satelite/trabajos/Grupo2_b99.00/riesgos.htm
www.ipac.caltech.edu/ipac/msx/msx
http://www.cienciadigital.net/abril2002/basuraespacial.html http://www.esoc.esa.de/external/mso/debris.html
http://www.esa.int/export/esaCP/ESA8YZPV16D_index_0.html
http://setas-www.larc.nasa.gov/meep/odc.html
www.haystack.edu/homepage.html
www.arianespace.com/site/news/espace/e.space172.sp.pdf
http://heasarc.gsfc.nasa.gov/docs/heasarc/missions/eureca.htm
www.aire.org