Las distintas agencias espaciales de todo el mundo llevan un registro de toda la basura espacial acumulada alrededor de la Tierra. Pocas tan minuciosas como el de la Agencia Espacial Europea (ESA) que calcula un aproximado de 34,000 objetos mayores de 10 cm., 900,000 de entre 10 cm. y 1 cm., y 128 millones que están entre 1 cm. y 1 mm. A esto sumemos el cada vez mayor número de viajes espaciales.
En el caso de la NASA , sus cinco primeros programas que fueron 1958 a 1975 consistieron en apenas 31 misiones tripuladas, mientras que sus cuatro siguientes de 1972 a la actualidad llevan 212. Es fácil pensar que la amenaza del debris se reduce a una posible caída de residuos en la superficie, pero lo cierto es que los peligros incrementan en una era que apunta cada vez al espacio.
No sólo en la exploración, sino también en el turismo, siendo el hotel Voyager Station un buen ejemplo de ello. Para evitar percances, las naves espaciales son protegidas por escudos Whipple, una especie de parachoques capaz de contener o incluso fragmentar aquellos objetos con los que impacta.
No es el caso de los paneles solares que deben estar expuestos para capturar la luz que es convertida en electricidad, lo que les deja en riesgo de un posible impacto. De hecho, son muchos los satélites cuyos paneles se han averiado tras ser golpeados por micrometeoritos y pequeñísimos residuos de basura espacial. Aun así, es común que las distintas misiones, ya sean tripuladas o no, contemplen las trayectorias de estos restos para reducir al mínimo el riesgo de accidentes.
El aumento de debris es tal que especialistas de la NASA no descartan que la órbita terrestre baja se vuelva prácticamente impasable. Esto convertiría la exploración espacial en una actividad prácticamente imposible por los altísimos riesgos que implicaría maniobrar entre la chatarra. Y lo incosteable que sería aumentar la protección de las naves o los niveles de combustible para garantizar viajes largos, pero también más seguros.
Los primeros esfuerzos por evitar el incremento del debris consistieron en buscar la manera de que los desechos abandonaran la órbita terrestre, ya fuera con la inercia de sus movimientos o con dispositivos de control a la distancia. La idea fracasó al ser comparada con una noción tan básica como echar nuestra basura en la casa del vecino.
Apenas en abril, la misión ELSA-d , a cargo de Astroscale, fue lanzada para realizar las primeras pruebas de una tecnología capaz de arrastrar residuos -en este caso, un viejo satélite- desde la órbita terrestre baja hasta la atmósfera en donde se incinerará. A más de seis décadas del inicio de la era del espacio por parte de la Unión de Repúblicas Socialistas Soviéticas (URSS), cuando puso en órbita terrestre el primer satélite artificial, Sputnik-I -una esfera con un diámetro inferior a 60 cm-.
El caso Colombiano y el FACSAT-1
Solo hasta el 2007 se desarrolló el primer proyecto en el país, el pico-satélite Libertad-1, lanzado desde el cosmódromo de Baikonur en Kazajistán (Portilla, 2012), un pequeño cubo de aproximadamente 10 cm de lado (CubeSat de 1 unidad), financiado y adaptado por la Universidad Sergio Arboleda.
En todo caso, proyectos como el Libertad-1 y otros muchos que se han verificado en otras partes del planeta, se han concretado gracias a los avances en la miniaturización de la electrónica y la amplia oferta de vehículos lanzadores -a causa de la privatización del sector espacial que comenzó a finales de la década de los 80-, lo que les permite ser desarrollados a un bajo costo si se comparan con el desarrollo tradicional de grandes satélites (Fernholz, 2018).
Los denominados CubeSats son satélites minúsculos de apenas unos cuantos kilogramos de peso, por lo que son clasificados dentro de los nanosatélites debido a su escasa masa (Stakem, 2020). Dichos CubeSats han permitido que naciones con poca trayectoria en el desarrollo aeroespacial tales como Colombia y Ecuador, accedan de algún modo a este tipo de tecnologías aun cuando su intervención en el diseño y construcción de algunos de sus componentes sea nula o, en el mejor de los casos, marginal.
Inicialmente, la forma como llegaban a órbita los CubeSats era casi de "aventón" por su tamaño, lo que reducía formidablemente los costos del uso del cohete (Woellert et al., 2011). Al observar la evolución de los proyectos de CubeSats, se identifican dos periodos importantes en el desarrollo de esta tecnología: el primero se extiende desde 1998 hasta el 2011 y comprende una etapa en la que la academia dominó por entero el desarrollo; el segundo, inicia en el 2012 y se extiende hasta el presente, y se caracteriza por el surgimiento y dominio de las aplicaciones comerciales a gran escala (Kulu, 2021; Bryce, 2020).
En la primera etapa, las instituciones comenzaron a adaptar esta tecnología para proyectos espaciales de bajo costo, se capacitó a los estudiantes de pregrado, se adquirió la experiencia (know-how), se desarrollaron misiones de demostración tecnológica, y se obtuvo una madurez satisfactoria de diversos componentes y subsistemas con fines comerciales.
Gracias al trabajo del grupo de profesionales que desarrolló el Libertad-1 y a su visión, el proyecto es visto como un referente en la región al ser pionero y, por ende, servir de inspiración para otros proyectos de pequeños satélites en los países vecinos; además, divulgó las tecnologías espaciales dentro del medio, adaptó las metodologías de ingeniería de sistemas espaciales y capacitó a los primeros profesionales en el país.
Para finales del 2018, el satélite FACSAT-1 se constituyó en el segundo satélite artificial puesto en órbita por iniciativa de una institución colombiana, y el primero por parte de un organismo gubernamental, específicamente la Fuerza Aérea Colombiana (FAC). El FACSAT-1 fue construido en asociación con la empresa danesa GOMSpace.
Se puso en órbita conjuntamente con otros numerosos satélites a finales de noviembre del 2018, por medio de un cohete Polar Satellite Launch Vehicle (PSLV) de fabricación india. El satélite propiamente dicho es un CubeSat 3U (compuesto de tres unidades) cuyo peso es del orden de 4 kg y con una vida útil proyectada de cinco años (León-Lozada, 2018).
Es evidente que las recientes investigaciones en tecnología espacial y la puesta en operación del satélite FACSAT-1, son una muestra del interés de las instituciones y profesionales del país por acceder y hacer uso de las aplicaciones espaciales, tales como la recepción de datos para monitoreo de recursos naturales, valoración de desastres naturales, vigilancia del territorio nacional y un largo etcétera, así como la capacitación de profesionales en desarrollo y operaciones de nano-satélites.
Como consecuencia del éxito del FACSAT-1 y de incentivar de algún modo la participación del sector privado nacional en asuntos aeroespaciales, a inicios del 2020 salió a la luz el Documento Conpes 39831 y se obtuvo la financiación tanto de los proyectos FACSAT-2 (Centro de Investigación en Tecnologías Aeroespaciales [Citae], 2020) como del montaje de una estación de comunicaciones en la Antártida (Departamento Estratégico de Comunicaciones [DEC], 2020).
Debido a esto, la estimación de tiempos de reentrada es un dato deseable en el estudio de la población de satélites en LEO. Infortunadamente tal predicción no es una tarea sencilla, a causa de las numerosas fuentes de incertidumbre que conlleva a que, después de décadas de investigación, aún se sigan presentando errores relativos cercanos al 20 % (Pardini & Anselmo, 2013).
Entre las variables que hacen difícil una predicción acertada de los tiempos de reentrada están los datos de rastreo inexactos y dispersos, formas complejas de los objetos, inexactitudes en los valores de la densidad atmosférica a las altitudes de interés, errores de predicción de actividad solar y geomagnética, modelamiento incorrecto de los coeficientes de resistencia, etcétera (Choi et al., 2017).
El objetivo del presente artículo es estudiar la evolución orbital del satélite FACSAT-1 durante los poco más de dos años que ha estado ubicado en órbita terrestre, suministrar información más técnica tanto de sus parámetros orbitales como de sus condiciones de puesta en órbita, datos que no han sido lo suficientemente diseminados por sus gestores, y que, sin embargo, son importantes para la conformación de una memoria histórica sobre las primeras iniciativas espaciales de la nación.
En primera instancia se describe la puesta en órbita del satélite FACSAT-1, para luego comentar el tipo de órbita en la que quedó. Después, con ayuda de los elementos de dos líneas reportados para el satélite se halla su tasa de decaimiento experimentada en sus dos primeros años.
Puesta en órbita y características del FACSAT-1
En la mañana del jueves 29 de noviembre del 2018 a las 9 h, 57 min, 30 s, hora local de la India (4 h, 27 min, 30 s, TU; 23 h, 27 min, 30 s, del miércoles 28, hora de Colombia), despegó un cohete PSLV portando al FACSAT-1 conjuntamente con otros 30 satélites (Clark, 2018), que en total sumaban una carga útil de 641 kg.
Como ya se dijo, el vehículo de lanzamiento fue un cohete PSLV (vehículo lanzador de satélites polares). El cohete, de 44 metros de altura y cerca de 320 toneladas de peso, está conformado por cuatro etapas: la primera y la tercera son de combustible sólido; las restantes de combustible líquido.
Continuando con el lanzamiento del FACSAT-1, el cohete después de su despegue tomó dirección sureste. Menos de dos minutos después entró en operación la segunda etapa que duró en funcionamiento otros dos minutos y medio. En este proceso el cohete ajustó su curso y tomó dirección sur, para evitar el sobrevuelo en la isla de Sri Lanka.
Finalmente, la tercera y cuarta etapa se encargarían de dotar la velocidad suficiente para poner en órbita a la carga útil principal del cohete: el satélite HySIS (satélite de imagen hiperespectral, por sus siglas en inglés). De tamaño y masa relativamente modesto (no excede las 0,4 toneladas), este satélite de construcción india -con la habilidad de realizar observaciones de la Tierra en varias regiones del espectro electromagnético-, fue puesto en una órbita heliosincrónica2 con inclinación de 97,96o a una altura promedio cercana a los 636 km sobre la superficie terrestre (EoPortal Directory, 2018).
Posterior a la colocación de la carga principal de la misión, la última etapa del PSLV procedió a reencender sus motores, pero ahora con el propósito de disminuir la altura (en unos 150 km) e iniciar la liberación de los satélites restantes pensados para orbitar la Tierra a alturas menores, de modo que, al final de sus vidas útiles, la atmósfera no tarde mucho en el proceso de decaimiento de la altura y la consiguiente reentrada y destrucción de estos (Madi & Sokolova, 2021).
El FACSAT-1 quedó registrado como la tercera pieza (C) en quedar en órbita de ese lanzamiento con el número 43.721 de la catalogación del Norad. De acuerdo con las condiciones de inserción orbital, el FACSAT-1 -y los otros satélites compañeros- quedaron en órbitas que permiten desplazar la línea de los nodos en dirección antihoraria -vista desde el polo norte celeste-, con un incremento diario cercano a la tasa de movimiento aparente del Sol visto desde la Tierra, lo que permite que el satélite sobrevuele siempre el sitio de interés con las mismas condiciones de iluminación solar.
Teniendo en cuenta que la tasa de desplazamiento del nodo ascendente (AQ) causada por el achatamiento terrestre está dada por, ΔΩ= en unidades de grados por día, donde G es la constante de Gravitación o de Cavendish (6,67428 x 10-11 m3 kg-1 s-2), M la masa de la Tierra (5,9722 x 1024 kg), J2 el armónico zonal terrestre (0,001083), i la inclinación orbital con respecto al Ecuador, R el radio terrestre (6.378,14 km), a el semieje mayor y e la excentricidad (Portilla, 2018).
Para el FACSAT-1, utilizando los datos de la tabla 1, se tiene un valor igual a ΔΩ = 1,0045 o/d. El FACSAT-1 quedó recién puesto en órbita en una trayectoria que le permite sobrevolar el sector occidental del país (en dirección norte a sur), principalmente sobre los litorales Atlántico y Pacífico, lo que se verifica poco después de las 10:00 a. m.
El tiempo que tarda el satélite en pasar casi exactamente por la misma región geográfica, se puede estimar de la siguiente forma: puesto que el planeta Tierra se desplaza gracias a su movimiento de rotación de oeste a este, por cada órbita descrita el satélite se desplaza en un ángulo en dirección hacia el oeste con relación a un observador situado en la superficie de la Tierra.
En este caso: T=1,57305/24=0,0655. La condición de paso sucesivo por el mismo punto de la superficie terrestre está dada evidentemente por n|Δψ| = m360°, en donde n y m representan dos números enteros. En el caso que nos ocupa tendremos entonces que: n/m = 15,22.
Este número es casi igual a la frecuencia del satélite, esto es, el número de revoluciones que hace en un día, ya que 1/0,0655 = 15,26. De este modo, el FACSAT-1 pasa aproximadamente sobre el mismo territorio de interés cada cuatro días. Para la realización de esa gráfica se utilizaron los Two Line Elements (TLE) (elementos de dos líneas) y la forma estándar como el Norad que expresa los elementos orbitales de los objetos que se encuentran en órbita.
Decaimiento orbital y factores influyentes
En el periodo estudiado -finales de noviembre del 2018 y finales de diciembre del 2020- se puede observar para los cuatros satélites dos tasas de decaimiento claramente definidas. En contraste, el satélite Hsat-1 tuvo una tasa de decaimiento mayor, de unos 15 metros por día en la primera etapa y de 36 metros diarios en la segunda.
Lo anterior puede evidenciarse de la figura 1 y es el resultado de un área proyectada A significativamente mayor, debido a sus paneles solares aun cuando posee una masa m de 13 kg, que hace entonces que la relación A/m sea mayor, incrementado así su resistencia atmosférica, más que la que genera el FACSAT-1, y de ahí un decaimiento más pronunciado.
Desde la puesta en órbita del FACSAT-1 hasta el 1.° de febrero del 2021, se han generado más de 3.000 reportes de TLE, esenciales para el propósito de analizar la evolución de la órbita del satélite y estimar la fecha de su reentrada atmosférica.
Al finalizar la vida útil de sus componentes, el satélite FACSAT-1 pasará a su estado no operacional y será considerado basura orbital, Orbital Debris (OD). Otra aplicación de los reportes de TLE, es su uso en algoritmos para determinar el paso del satélite sobre las estaciones de rastreo y control, y las estaciones de comunicación para descarga de los datos de la carga útil.
Para realizar el análisis de vida útil del satélite FACSAT-1 se usó el histórico de los TLE, pues al ser datos públicos son de fácil acceso. Sin embargo, es esencial complementar con datos de las estaciones de monitoreo (obtenidos por el operador del satélite) para mejorar la precisión de los algoritmos y de las predicciones.
Hay que tener en cuenta que los TLE presentan errores generados por la baja precisión del modelo de perturbaciones, falta de información sobre la actitud del satélite, sus propiedades específicas: masa, materiales, dimensiones y, ruidos y bias de la señal, entre otros (Xu & Xiong, 2018; Levit & Marshall, 2011; Vallado & Cefola, 2012; Lee, 2002). Una forma de mejorar la precisión de las predicciones, o estimación del estado, es a través de un propagador4 de alta fidelidad, tal como indica la norma ISO 27852:2016 (ISO, 2016).
Los propagadores de alta fidelidad son sofisticados integradores numéricos para efectos de resolver las complicadas ecuaciones de movimiento; en ellos están incluidos las fuerzas ambientales que por periodos extendidos de tiempo afectan la trayectoria del satélite tales como el complejo campo gravitacional terrestre -modelado a través de una serie de armónicos esféricos- y la atmósfera terrestre, lo que requiere un modelo atmosférico que permita ante todo conocer la densidad del aire en función de la altura para efectos de encontrar la fuerza de resistencia que afecta notablemente los satélites en LEO (Hintz, 2015).
En particular, el propagador de alta fidelidad aquí utilizado incluyó un integrador numérico RKF-7/8, el modelo gravitacional terrestre EGM-08 con armónicos de orden 10x10 y el modelo atmosférico Nrlmsise-00 que incorporó los coeficientes geomagnéticos observados de los últimos cinco años y los estimados hasta el 2033 (Vallado, 2013).
Tormentas solares y su impacto en satélites
Hace 165 años, en 1859, se produjo una tormenta solar de grandes proporciones. Esta afectó transformadores eléctricos y redes de alimentación eléctrica, lo que provocó explosiones, cortocircuitos e incendios. Las tormentas solares, también conocidas como tormentas geomagnéticas, son eventos naturales que se han presentado a lo largo de la vida del Sol.
Estas partículas son proyectadas en diversas direcciones y, afortunadamente, solo en raras ocasiones coinciden con la Tierra mientras esta se mueve en su órbita alrededor del Sol. El físico y astrónomo del Planetario “Luis Enrique Erro” del Instituto Politécnico Nacional, Wilder Chicana Nuncebay, señaló que el violento incremento de la radiación también hace que se calienten las capas superiores de la atmósfera terrestre, las cuales se hacen más gruesas y pueden crear fricción a los satélites con órbitas de baja altura.
“Las partículas de la atmósfera engrosada podrían frenar un poco el movimiento de los satélites, actuando sobre ellos como una fuerza de fricción, haciendo que estos pierdan energía cinética y como consecuencia a largo plazo podrían caer a la Tierra. Sin embargo, la radiación misma al interactuar con la electrónica de los satélites los podría quemar.
El profesor Wilder Chicana advierte que la tecnología eléctrica y electrónica que creamos es vulnerable a las tormentas solares. Estas, al presentarse con alta intensidad, pueden afectar cualquier dispositivo: desde teléfonos y computadoras hasta marcapasos.Sin embargo, la Tierra tiene un escudo protector: la magnetosfera. Esta funciona como un paraguas que nos protege de la radiación y de las partículas cargadas eléctricamente del Sol.
Como te mencionamos anteriormente, las tormentas solares liberan una gran cantidad de partículas cargadas eléctricamente que pueden interactuar con el campo magnético terrestre. Esto puede generar corrientes inducidas en los sistemas eléctricos, lo que puede dañar los dispositivos. El daño depende de la intensidad de la tormenta solar.