Resumen:
Con el creciente número de satélites en órbita terrestre baja, los desechos espaciales se están convirtiendo en un problema importante que amenaza la seguridad de las naves espaciales. Ante un entorno orbital cada vez más poblado, los fabricantes de satélites y las instituciones de investigación están desarrollando nuevos sensores de impacto, armaduras protectoras más ligeras y estructuras de blindaje utilizando nuevos materiales y tecnología de impresión 3D, con la esperanza de permitir que los satélites mantengan operaciones normales tanto como sea posible incluso si son golpeados por escombros a alta velocidad.
Actualmente, los desechos espaciales en órbita terrestre baja pueden moverse a una velocidad de unos 7 kilómetros por segundo. A tales velocidades, incluso un pequeño fragmento puede dañar la electrónica del satélite, penetrar componentes externos o incluso provocar directamente la falla de todo el satélite. Los datos de la Agencia Espacial Europea muestran que la cantidad de objetos fabricados por el hombre en la órbita terrestre se ha más que duplicado desde 2017, y el problema está empeorando a medida que se continúan desplegando constelaciones de satélites comerciales.
Los desechos espaciales no son solo satélites abandonados y restos de cohetes, sino que también incluyen fragmentos de metal, plástico, fragmentos de pintura y otros objetos diminutos producidos después de colisiones. Debido a que pueden ser tan pequeños, muchos desechos no pueden ser rastreados directamente por los sistemas terrestres, pero no se puede subestimar el poder destructivo producido por los vuelos a alta velocidad. La Agencia Espacial Europea estima actualmente que hay decenas de miles de objetos rastreables en órbita, y el número real de desechos de más de 1 centímetro que son lo suficientemente grandes como para causar daños catastróficos a una nave espacial puede superar los 1,2 millones.
Además de intentar reducir la generación de nuevos desechos espaciales, los fabricantes de satélites también han comenzado a considerar otra cuestión práctica: cómo hacer que los satélites tengan más probabilidades de "sobrevivir" cuando no se pueden evitar las colisiones. Odin Space en Santa Ana, California, EE.UU., ha comenzado a vender una tira sensora adhesiva instalada en la superficie de un satélite. Está equipado con un sensor de vibración en el interior, que puede registrar la vibración generada cuando el satélite es golpeado y ayudar a los operadores a determinar el tamaño aproximado y la fuerza del impacto.
Esta tecnología promete resolver un problema de larga data en la industria de los satélites pequeños. Un estudio de 2021 encontró que aproximadamente uno de cada cinco satélites pequeños deja de funcionar al año de su lanzamiento, y la causa de aproximadamente el 60% de estas fallas no está clara. Los impactos de escombros son una posible causa, pero las fallas de los satélites a menudo dejan evidencia insuficiente para que los operadores determinen lo que sucedió.
Si los satélites pueden registrar el momento, la intensidad y las características de los impactos, los fabricantes pueden correlacionar estos datos con fallas de los satélites para determinar mejor las amenazas reales en diferentes entornos orbitales. Estos datos también se pueden utilizar para mejorar el diseño estructural del satélite en el futuro, lo que permitirá a los ingenieros reforzar los tipos de desechos más comunes y las direcciones de impacto sin simplemente aumentar el peso protector de todo el satélite.
En la actualidad, el aluminio sigue siendo uno de los materiales de protección más comunes para las naves espaciales. Muchos satélites utilizan paneles de aluminio y estructuras alveolares de aluminio para fortalecer el fuselaje. Esta solución es más liviana y relativamente madura en cuanto a fabricación, pero tiene capacidades de protección limitadas cuando se enfrenta a desechos a alta velocidad.
Una solución más probada es Whipple Shield. Esta estructura añade una fina capa de amortiguación externa unos pocos centímetros delante de la capa principal del satélite. Cuando los escombros a alta velocidad golpean la estructura exterior, primero se romperán y vaporizarán, y luego la nube de escombros formada golpeará la capa protectora principal trasera, reduciendo así la energía del impacto que finalmente se transmite al interior de la nave espacial. El escudo de Whipple ha demostrado ser muy eficaz, pero el problema es que añade peso y ocupa un valioso espacio interno, dos de los parámetros más sensibles en el diseño de satélites.
Atomic-6 cerca de Atlanta, EE. UU., está desarrollando una alternativa llamada "Space Armor". La compañía no reveló los ingredientes específicos de los ladrillos protectores compuestos, pero cada ladrillo protector tiene aproximadamente el tamaño de una palma, unos 2,5 centímetros de grosor y pesa aproximadamente lo mismo que un iPhone.
Las pruebas de Atomic-6 han demostrado que el material puede detener proyectiles de aluminio del tamaño de un guisante que viajan a 7,2 kilómetros por segundo. El director ejecutivo de la compañía, Trevor Smith, dijo que a diferencia de las estructuras protectoras tradicionales, este material no produce grandes cantidades de fragmentos de alta velocidad similares a los que se forman después de que se rompe el escudo metálico, pero puede vaporizar los fragmentos metálicos que impactan y ser absorbidos por el material protector.
Mientras tanto, otros equipos de investigación están intentando reducir el peso de los sistemas de protección mediante una combinación de diferentes materiales. Por ejemplo, la fibra de Kevlar se ha utilizado en equipos a prueba de balas y también se ha utilizado en la estructura protectora de la Estación Espacial Internacional. Los investigadores están experimentando combinando Kevlar con cerámica textil Nextel para crear capas protectoras más livianas, especialmente para satélites más pequeños y de menor costo.
Investigadores de la Universidad de Padua en Italia han puesto su mirada en la tecnología de impresión 3D. Están utilizando aluminio, Kevlar y resina reforzada con fibra de carbono para crear estructuras protectoras experimentales. La mayor ventaja de la impresión 3D es su capacidad para diseñar estructuras de cavidades complejas dentro de materiales. Estas cavidades permiten que los fragmentos de alta velocidad sufran múltiples fragmentaciones y consumo de energía durante el proceso de penetración de la capa protectora, logrando así un efecto de protección por etapas similar al escudo de Whipple.
La NASA también está probando una idea diferente, utilizando espuma de aluminio como material protector. Hay una gran cantidad de pequeños huecos dentro de la espuma de aluminio. En las pruebas, una capa protectora de espuma de aluminio de poco más de 6 mm de espesor pudo proporcionar una protección similar a un escudo Whipple tradicional, que pesa aproximadamente el doble que la solución de espuma de aluminio. Esto significa que si la tecnología relevante sigue madurando, los fabricantes de satélites podrán mejorar las capacidades de protección sin aumentar significativamente el peso de lanzamiento.
Sin embargo, no existe una "armadura universal" que pueda aplicarse a todos los satélites. El entorno de los desechos en diferentes órbitas no es el mismo y la composición, el tamaño y la velocidad de los desechos pueden variar. Los ingenieros deben decidir qué materiales y estructuras utilizar en función del entorno orbital específico en el que se encuentra el satélite.
Rannveig Marie Faergestad, diseñadora de protección en Thales Alenia Space, dijo que si se pueden obtener datos más precisos sobre el entorno de los desechos orbitales, los ingenieros podrán seleccionar materiales y diseñar estructuras protectoras de una manera más específica. En otras palabras, el desarrollo de la futura protección de los satélites no sólo dependerá de materiales más resistentes, sino también de una comprensión más precisa del entorno orbital.
Aquí también es donde los sensores de impacto pueden desempeñar un papel importante. En el pasado, los fabricantes de satélites se basaban principalmente en modelos teóricos para predecir posibles amenazas de desechos, mientras que los sensores instalados en los satélites pueden proporcionar datos de impacto en el mundo real. Al recopilar estos datos a lo largo del tiempo, los operadores pueden obtener una comprensión más clara de los tipos de desechos y riesgos de impacto que realmente enfrentan los satélites, y optimizar aún más el diseño de protección de los satélites de próxima generación.
A medida que grandes constelaciones de satélites continúan entrando en la órbita terrestre baja, el entorno espacial está cambiando de un espacio operativo relativamente flexible en el pasado a una infraestructura cada vez más poblada. La Agencia Espacial Europea advierte que incluso si deja de lanzar nuevas naves espaciales en el futuro, los desechos existentes pueden seguir aumentando debido a las colisiones y la desintegración. Por lo tanto, reducir la generación de nuevos desechos, mejorar la resistencia al impacto de los satélites y limpiar proactivamente los desechos espaciales existentes se convertirán en medidas clave para mantener la disponibilidad a largo plazo de la órbita terrestre baja.
Para los fabricantes de satélites, la competencia en el futuro no consiste sólo en hacer que los satélites sean más ligeros, más baratos y más fáciles de lanzar, sino también en cómo hacerlos sobrevivir más tiempo en un entorno orbital cada vez más peligroso. Tecnologías como sensores, nuevos materiales compuestos, espuma de aluminio y estructuras impresas en 3D están permitiendo gradualmente que los satélites pasen de simplemente "evitar" los desechos espaciales a tener capacidades de detección activa y protección pasiva más fuertes.
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