El síndrome de Kessler (también llamado efecto Kessler , [1] [2] cascada de colisiones o cascada de ablación ), propuesto por el científico de la NASA Donald J. Kessler en 1978, es un escenario teórico en el que la densidad de objetos en órbita terrestre baja ( LEO) debido a que la contaminación espacial es lo suficientemente alta como para que las colisiones entre objetos puedan provocar una cascada en la que cada colisión genera desechos espaciales que aumentan la probabilidad de más colisiones. [3] Una consecuencia es que la distribución de desechos en órbita podría provocar que las actividades espaciales y el uso desatélites en rangos orbitales específicos difíciles durante muchas generaciones. [3]
Historia
NORAD, Gabbard y Kessler
Willy Ley predijo en 1960 que "Con el tiempo, una serie de disparos accidentalmente demasiado afortunados se acumularán en el espacio y tendrán que ser eliminados cuando llegue la era de los vuelos espaciales tripulados". [4] Después del lanzamiento del Sputnik 1 en 1957, el Comando de Defensa Aeroespacial de América del Norte (NORAD) comenzó a compilar una base de datos (el Catálogo de Objetos Espaciales ) de todos los lanzamientos de cohetes conocidos y los objetos que alcanzan la órbita: satélites, escudos protectores y superiores e inferiores -Cohetes de refuerzo de escenario. La NASA publicó más tarde [ ¿cuándo? ] versiones modificadas de la base de datos en un conjunto de elementos de dos líneas , [5] ya principios de la década de 1980 el sistema de tablones de anuncios CelesTrak los volvió a publicar. [6]
Los rastreadores que alimentaron la base de datos estaban al tanto de otros objetos en órbita, muchos de los cuales eran el resultado de explosiones en órbita. [7] Algunas fueron causadas deliberadamente durante las pruebas de armas antisatélite (ASAT) de la década de 1960 , y otras fueron el resultado de etapas de cohetes que explotaron en órbita cuando el propulsor sobrante se expandió y rompió sus tanques. Para mejorar el seguimiento, el empleado de NORAD, John Gabbard, mantuvo una base de datos separada. Al estudiar las explosiones, Gabbard desarrolló una técnica para predecir las trayectorias orbitales de sus productos, y los diagramas (o gráficos) de Gabbard ahora se utilizan ampliamente. Estos estudios se utilizaron para mejorar el modelado de la evolución y la desintegración orbital. [8]
Cuando la base de datos NORAD estuvo disponible públicamente durante la década de 1970, el científico de la NASA Donald J. Kessler aplicó la técnica desarrollada para el estudio del cinturón de asteroides a la base de datos de objetos conocidos. En 1978, Kessler y Burton Cour-Palais fueron coautores de "Frecuencia de colisión de satélites artificiales: la creación de un cinturón de escombros", [9] demostrando que el proceso que controla la evolución de los asteroides provocaría un proceso de colisión similar en LEO en décadas en lugar de miles de millones. de años. Llegaron a la conclusión de que hacia el año 2000, los desechos espaciales superarían a los micrometeoroides como el principal riesgo ablativo para las naves espaciales en órbita. [10]
En ese momento, se pensó ampliamente [¿ por quién? ] que el arrastre de la atmósfera superior desorbitaría los escombros más rápido de lo que fue creado. [ cita requerida ] Sin embargo, Gabbard era consciente de que la cantidad y el tipo de objetos en el espacio estaban subrepresentados en los datos de NORAD y estaba familiarizado con su comportamiento. En una entrevista poco después de la publicación del artículo de Kessler, Gabbard acuñó el término síndrome de Kessler para referirse a la acumulación de escombros; [10] se volvió ampliamente utilizado después de su aparición en un artículo de Popular Science de 1982 , [11] que ganó el Premio Nacional de Periodismo de 1982 de la Aviation-Space Writers Association. [10]
Estudios de seguimiento
La falta de datos concretos sobre los desechos espaciales motivó una serie de estudios para caracterizar mejor el entorno LEO. En octubre de 1979, la NASA proporcionó a Kessler fondos para estudios adicionales. [10] Estos estudios utilizaron varios enfoques.
Se utilizaron telescopios ópticos y radares de longitud de onda corta para medir el número y el tamaño de los objetos espaciales, y estas mediciones demostraron que el recuento de población publicado era al menos un 50% demasiado bajo. [12] Antes de esto, se creía que la base de datos NORAD representaba la mayoría de los objetos grandes en órbita. Se encontró que algunos objetos (por lo general, naves espaciales militares de EE. UU.) Se omitieron de la lista NORAD, y otros no se incluyeron porque se consideraron sin importancia. La lista no podía dar cuenta fácilmente de objetos de menos de 20 cm (7,9 pulgadas) de tamaño, en particular, escombros de etapas de cohetes que explotaron y varias pruebas antisatélite de la década de 1960. [10]
Las naves espaciales devueltas se examinaron microscópicamente en busca de pequeños impactos, y se encontró que las secciones de Skylab y el Módulo de comando / servicio de Apollo que se recuperaron estaban picadas. Cada estudio indicó que el flujo de escombros fue mayor de lo esperado y los escombros fueron la principal fuente de micrometeoroides y colisiones de escombros orbitales en el espacio. LEO ya demostró el síndrome de Kessler. [10]
En 1978, Kessler descubrió que el 42 por ciento de los escombros catalogados eran el resultado de 19 eventos, principalmente explosiones de etapas de cohetes gastados (especialmente cohetes Delta de EE . UU .). [13] [Se necesita cita completa ] Descubrió esto identificando primero aquellos lanzamientos que se describieron como que tenían una gran cantidad de objetos asociados con una carga útil, luego investigando la literatura para determinar los cohetes utilizados en el lanzamiento. En 1979, este hallazgo resultó en el establecimiento del Programa de Desechos Orbitales de la NASA después de una sesión informativa para la alta gerencia de la NASA, anulando la creencia anteriormente sostenida de que la mayoría de los desechos desconocidos provenían de antiguas pruebas ASAT, no de explosiones de cohetes en la etapa superior de EE. UU. Que aparentemente podrían manejarse fácilmente. agotando el combustible no utilizado del cohete Delta de etapa superior después de la inyección de carga útil. A partir de 1986, cuando se descubrió que otras agencias internacionales posiblemente estaban experimentando el mismo tipo de problema, la NASA amplió su programa para incluir agencias internacionales, siendo la primera la Agencia Espacial Europea. [14] : 2 Varios otros componentes de Delta en órbita (Delta era un caballo de batalla del programa espacial estadounidense) aún no habían explotado. [ cita requerida ]
Un nuevo síndrome de Kessler
Durante la década de 1980, la Fuerza Aérea de los Estados Unidos (USAF) llevó a cabo un programa experimental para determinar qué sucedería si los escombros chocaran con satélites u otros escombros. El estudio demostró que el proceso difería de las colisiones de micrometeoroides, con grandes trozos de escombros creados que se convertirían en amenazas de colisión. [10]
En 1991, Kessler publicó "Cascada de colisiones: los límites del crecimiento de la población en la órbita terrestre baja" [15] con los mejores datos disponibles en ese momento. Citando las conclusiones de la USAF sobre la creación de escombros, escribió que aunque casi todos los objetos de escombros (como manchas de pintura) eran livianos, la mayor parte de su masa estaba en escombros de aproximadamente 1 kg (2,2 lb) o más. Esta masa podría destruir una nave espacial en el momento del impacto, creando más escombros en el área de masa crítica. [16] Según la Academia Nacional de Ciencias:
Un objeto de 1 kg que impacte a 10 km / s, por ejemplo, probablemente sea capaz de romper catastróficamente una nave espacial de 1000 kg si choca contra un elemento de alta densidad en la nave espacial. En tal ruptura, se crearían numerosos fragmentos de más de 1 kg. [17]
El análisis de Kessler dividió el problema en tres partes. Con una densidad lo suficientemente baja, la adición de escombros por impactos es más lenta que su tasa de descomposición y el problema no es significativo. Más allá de eso hay una densidad crítica, donde los escombros adicionales conducen a colisiones adicionales. A densidades más allá de esta masa crítica, la producción supera la descomposición, lo que lleva a una reacción en cadena en cascada que reduce la población en órbita a objetos pequeños (de varios centímetros de tamaño) y aumenta el riesgo de actividad espacial. [16] Esta reacción en cadena se conoce como síndrome de Kessler. [10]
En un resumen histórico de principios de 2009, Kessler resumió la situación:
Las actividades espaciales agresivas sin las salvaguardias adecuadas podrían acortar significativamente el tiempo entre colisiones y producir un peligro intolerable para las futuras naves espaciales. Algunas de las actividades más peligrosas para el medio ambiente en el espacio incluyen grandes constelaciones como las propuestas inicialmente por la Iniciativa de Defensa Estratégica a mediados de la década de 1980, grandes estructuras como las que se consideraron a fines de la década de 1970 para construir estaciones de energía solar en órbita terrestre y anti - Guerra por satélite utilizando sistemas probados por la URSS, los EE. UU. y China durante los últimos 30 años. Actividades tan agresivas podrían crear una situación en la que la falla de un solo satélite podría provocar fallas en cascada de muchos satélites en un período mucho más corto que años. [10]
Generación y destrucción de escombros
Cada satélite, sonda espacial y misión tripulada tiene el potencial de producir desechos espaciales . El síndrome de Kessler en cascada teórico se vuelve más probable a medida que aumenta el número de satélites en órbita. A partir de 2014[actualizar], había alrededor de 2.000 satélites comerciales y gubernamentales en órbita alrededor de la Tierra. [18] Se estima que hay 600.000 piezas de basura espacial que van desde 1 a 10 cm (0,39 a 3,94 pulgadas), y en promedio un satélite es destruido por colisión con basura espacial cada año. [18] [19]
Las órbitas más comúnmente utilizadas para vehículos espaciales tripulados y no tripulados son las órbitas terrestres bajas , que cubren un rango de altitud lo suficientemente bajo [ especificar ] para que la resistencia atmosférica residual sea suficiente para ayudar a mantener la zona despejada. [ aclaración necesaria ] Las colisiones que ocurren en este rango de altitud también son un problema menor porque las direcciones en las que vuelan los fragmentos y / o su energía específica más baja a menudo resultan en órbitas que se cruzan con la Tierra o que tienen perigeo por debajo de esta altitud. [ cita requerida ]
La desintegración orbital es mucho más lenta en altitudes donde la resistencia atmosférica es insignificante. El arrastre atmosférico leve , la perturbación lunar y el arrastre del viento solar pueden llevar gradualmente los escombros a altitudes más bajas donde los fragmentos finalmente vuelven a entrar, pero este proceso puede llevar milenios en altitudes muy elevadas.
Trascendencia
El síndrome de Kessler es problemático debido al efecto dominó y la fuga de retroalimentación en la que los impactos entre objetos de masa considerable desprenden los escombros de la fuerza de la colisión. Los fragmentos pueden golpear otros objetos, produciendo aún más desechos espaciales: si ocurriera una colisión o explosión lo suficientemente grande, como entre una estación espacial y un satélite desaparecido, o como resultado de acciones hostiles en el espacio, entonces los desechos resultantes La cascada podría hacer que las perspectivas de viabilidad a largo plazo de los satélites, en particular las órbitas terrestres bajas, sean extremadamente bajas. [20] [21] Sin embargo, incluso un escenario catastrófico de Kessler en LEO plantearía un riesgo mínimo de que los lanzamientos continúen más allá de LEO, o satélites que viajen en órbita terrestre media (MEO) u órbita geosincrónica (GEO). Los escenarios catastróficos predicen un aumento en el número de colisiones por año, en contraposición a una barrera físicamente infranqueable para la exploración espacial que ocurre en órbitas más altas. [ cita requerida ]
Evitación y reducción
La UIT [22] exige con frecuencia a los diseñadores de un nuevo vehículo o satélite que demuestren que puede eliminarse de forma segura al final de su vida útil, por ejemplo, mediante el uso de un sistema de reentrada atmosférica controlada o un impulso a la órbita de un cementerio . [23] Para los lanzamientos o satélites estadounidenses que se habrán transmitido a territorios estadounidenses, a fin de obtener una licencia para proporcionar servicios de telecomunicaciones en los Estados Unidos, la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) requirió que todos los satélites geoestacionarios lanzados después del 18 de marzo de 2002 se comprometieran a moviéndose a una órbita de cementerio al final de su vida operativa. [23] Las regulaciones del gobierno de los EE . UU. Requieren de manera similar un plan para deshacerse de los satélites después del final de su misión: reingreso atmosférico, [ aclaración necesaria ] movimiento a una órbita de almacenamiento o recuperación directa. [24]
Un medio de energía eficiente propuesto para desorbitar una nave espacial de MEO es cambiarla a una órbita en una resonancia inestable con el Sol o la Luna que acelera la desintegración orbital. [25] [26]
Una tecnología propuesta para ayudar a lidiar con fragmentos de 1 a 10 cm (0,39 a 3,94 pulgadas ) de tamaño es la escoba láser , un láser terrestre de varios megavatios propuesto que podría desorbitar los escombros: el lado de los escombros golpeado por el láser se ablacionaría y crear un empuje que cambiaría la excentricidad de los restos del fragmento hasta que volviera a entrar inofensivamente. [27]
Gatillo potencial
El satélite Envisat es un satélite grande e inactivo con una masa de 8.211 kg (18.102 lb) que se desplaza a 785 km (488 millas), una altitud en la que el entorno de escombros es mayor; se puede esperar que dos objetos catalogados pasen dentro de unos 200 m (660 pies) de Envisat cada año [28], y es probable que aumente. Don Kessler predijo en 2012 que podría convertirse fácilmente en un importante contribuyente de escombros de una colisión durante los próximos 150 años que permanecerá en órbita. [28]
El programa Starlink de SpaceX genera preocupación entre muchos expertos sobre el empeoramiento significativo de la posibilidad del síndrome de Kessler debido a la gran cantidad de satélites que el programa pretende colocar en LEO, ya que el objetivo del programa será más del doble de los satélites actualmente en LEO. [29] En respuesta a estas preocupaciones, SpaceX dijo que una gran parte de los satélites Starlink se lanzan a una altitud menor de 550 km para lograr una latencia más baja (en comparación con los 1.150 kilómetros que se planearon originalmente), y por lo tanto se espera que los satélites fallados o los escombros abandonen la órbita. dentro de cinco años incluso sin propulsión, debido a la resistencia atmosférica. [30]
En ficción
- La novela de Ken McLeod de 1999 The Sky Road (libro 4 de la serie Fall Revolution) presenta las consecuencias del síndrome de Kessler como un importante dispositivo de la trama.
- En la novela Fallen Dragon de Peter F. Hamilton de 2001 , los residentes del planeta Santa Chico desencadenaron deliberadamente un síndrome de Kessler para "cerrar el cielo" a las naves espaciales merodeadoras, haciendo imposibles más viajes hacia o desde el planeta.
- El segmento inicial del manga Planetes de 2003 se centra en un equipo de limpieza de escombros orbital, cuyo único propósito es reducir el riesgo de Kessler.
- La película de 2013 Gravity presenta una catástrofe del síndrome de Kessler como el incidente incitante de la historia, cuando Rusia derriba un viejo satélite. [31]
- Defiance de SyFy television incluyó problemas del síndrome de Kessler que afectan los viajes y la comunicación como resultado de razas extraterrestres en conflicto con la humanidad, lo que resultó en "Arkfall" cuando los escombros de sus barcos se dispersaron.
- La novela Seveneves de 2015 de Neal Stephenson comienza con la inexplicable explosión de la Luna en siete grandes piezas, la posterior creación de una nube de escombros por las colisiones del síndrome de Kessler y el eventual bombardeo de la superficie de la Tierra por meteoroides lunares. [32]
- En la novela de 2018 de Marc Cameron , Tom Clancy: Juramento del cargo , los disidentes iraníes planean disparar dos misiles nucleares rusos al espacio para destruir un satélite en órbita que luego desencadenaría el síndrome de Kessler.
- El videojuego Ace Combat 7: Skies Unknown de 2019 presenta un incidente del síndrome de Kessler como un punto importante de la trama después de que facciones opuestas lanzaran ataques ASAT entre sí simultáneamente. El campo de escombros resultante inicia una cascada de colisión orbital que causa daños catastróficos a la infraestructura de comunicaciones global.
Ver también
- 1961 y 1963 Proyecto West Ford - Proyecto experimental de radiocomunicación espacial
- 1985 Prueba de misiles antisatélite ASM-135 ASAT
- Prueba china de misiles antisatélite de 2007
- Colisión de satélites de 2009 - Colisión de 2009 entre los satélites Iridium 33 y Cosmos-2251
- P78-1
- SNAP-10A - Satélite experimental de propulsión nuclear de la Fuerza Aérea de EE. UU.
- Convenio de responsabilidad espacial
- USA-193 - Satélite militar
- Starlink : constelación de satélites; servicio de Internet basado en el espacio
Referencias
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Otras lecturas
- Kessler, D (2009). "El síndrome de Kessler (comentado por Donald J. Kessler)" . Archivado desde el original el 27 de mayo de 2010 . Consultado el 26 de mayo de 2010 .
- Un artículo en la edición de julio de 2009 de Popular Mechanics por Glenn Harlan Reynolds analiza el síndrome de Kessler con respecto a la colisión de satélites de febrero de 2009 y cómo el derecho internacional puede necesitar abordar el problema para ayudar a prevenir incidentes futuros: Reynolds, GH (2009, julio) . "Curso de colisión". Popular Mechanics , págs. 50–52.
- Documental: Collision point: La carrera por limpiar el espacio (duración: 22 minutos 28 segundos), incluido en el material adicional del Blu-ray Disc for Gravity (película) .
enlaces externos
- Página web de Donald Kessler en uwo.ca
- Satélites en órbita en tiempo real en stuffin.space
- Imagen astronómica del día de la NASA: los satélites chocan en la órbita terrestre baja (18 de febrero de 2009)
- Modelado matemático de flujo de escombros en lasp.colorado.edu
- "La basura en órbita, una vez una molestia, ahora es una amenaza" . The New York Times .
- "Houston tenemos un problema de basura" . Cableado .
- Schwartz, Evan I. (24 de mayo de 2010). "La crisis de basura espacial que se avecina: es hora de sacar la basura" . Cableado . Consultado el 14 de junio de 2010 .
- "Escombros arrojados al espacio después de que los satélites chocan" . The New York Times .
- Investigación de información pública agregada sobre desechos espaciales, órbitas de cementerios, etc.
- "Orbita de basura espacial que ensucia; podría necesitar una limpieza" . Associated Press. 1 de septiembre de 2011.