El objetivo es mantener bajo observación millones de desechos existentes en la órbita de la Tierra, con riesgo para satélites, cohetes y la seguridad del planeta
Alexandre Affonso / Revista Pesquisa FAPESP
Brasil ha comenzado a dar forma a una red nacional de información sobre la basura espacial. Los objetivos primordiales de esta iniciativa son instaurar un monitoreo activo de los residuos espaciales y gestionar el riesgo de colisión con los satélites brasileños, ampliar la seguridad de los lanzamientos efectuados en el Centro Espacial de Alcântara, en el estado de Maranhão, y reducir el riesgo de accidentes en la reentrada de artefactos en trayectoria de colisión con el territorio nacional. Esta estructura también colaborará con las redes de vigilancia de desechos espaciales internacionales. Se estima que existen más de 130 millones de objetos ‒en su mayoría milimétricos‒ orbitando la Tierra.
La primera fase se concretará con la formalización de la adquisición de un sistema de gestión de riesgos y tres telescopios a cargo de la División de Ingeniería Aeronáutica y Aeroespacial del Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA), con sede en la ciudad paulista de São José dos Campos. La inversión, que asciende a 12 millones de reales, procede de la Financiadora de Estudios y Proyectos (Finep).
Con espejos de alrededor de 40 centímetros (cm) de diámetro, los tres telescopios se encuentran en proceso de adquisición. Esta operación se iniciará antes del final de 2024, siempre y cuando se cumplan los plazos de disponibilidad de los fondos. Según el ingeniero mecánico Willer Gomes dos Santos, responsable del Laboratorio de Monitoreo de Objetos Espaciales (LMOE) del ITA, está prevista una futura expansión del sistema mediante la incorporación de un telescopio mayor, con una apertura focal de alrededor de 1 metro (m) de diámetro.
“Los telescopios de mayor apertura son capaces de detectar artefactos menos brillantes. También se utilizan para identificar y caracterizar objetos aún no catalogados”, explica el ingeniero aeroespacial Carlos Amaral, miembro del LMOE-ITA y capitán de la Fuerza Aérea Brasileña (FAB). “Los telescopios de menor apertura, cuando se utilizan con equipos más grandes, se emplean principalmente para la determinación preliminar de la órbita de los artefactos. Sus datos se utilizan para establecer correlaciones con otros objetos ya catalogados”, añade.
El objetivo principal de los tres telescopios será la observación de objetos que se desplazan en órbitas medias ‒entre 2.000 y 35.786 kilómetros (km) sobre el planeta‒ y altas, por encima de los 35.786 km. Esta última altitud define lo que se conoce como órbita geosíncrona, en la que un satélite se desplaza por el espacio a la velocidad de rotación de la Tierra, de forma tal que se mantiene inmóvil sobre un punto de la superficie del planeta. En esta órbita, por ejemplo, opera el Satélite Geoestacionario de Defensa y Comunicaciones Estratégicas (SGDC) (lea en Pesquisa FAPESP, edición nº 256). “Si bien no es éste el propósito de utilización pretendido, los telescopios también serán capaces de observar objetos en órbita baja”, explica el capitán.
Alexandre Affonso / Revista Pesquisa FAPESP
Tras la adquisición de los telescopios, está previsto un plazo de instalación de un año. Uno de los equipos se integrará al Observatorio Pico dos Dias, del Laboratorio Nacional de Astrofísica (LNA), situado en el municipio de Brazópolis, en Minas Gerais. Los otros dos se estudia instalarlos en São Paulo y Goiás.
El sistema de gestión de riesgos ya fue adquirido y se encuentra operativo desde enero de este año. Se trata de un software denominado GSTT Orbit Guard, desarrollado por la empresa italiana GMSPAZIO, que utiliza datos recabados por telescopios y otros tipos de sensores, tales como radares, para predecir y prevenir el riesgo de colisiones. En Brasil, el sistema funciona por duplicado, con una plataforma de información en funcionamiento en el Centro de Operaciones Espaciales de la FAB, en Brasilia, organismo responsable de la supervisión, control y operación de los satélites militares brasileños. La otra plataforma está instalada en el LMOE-ITA, y se centra en el desarrollo de investigaciones y la capacitación de mano de obra para el sector de Defensa y la industria aeroespacial brasileña.
“Actualmente estamos procesando datos provistos por otros sensores, como el telescopio automatizado ROBO40, instalado en el LNA, cuyo espejo es de 40 cm de diámetro”, informa Amaral. El dispositivo sirve principalmente para realizar observaciones astronómicas; el rastreo de la basura espacial es una actividad secundaria.
Una meta de 15 telescopios El proyecto del ITA también prevé la vigilancia de las órbitas bajas, de hasta 2.000 km de altitud. La mayoría de los 30 satélites brasileños activos operan en este rango, entre ellos la familia de Satélites Chino-Brasileños de Recursos Terrestres (CBERS), el gubernamental Amazonia 1 (lea en Pesquisa FAPESP, edición nº 300), que utiliza la teledetección para vigilar la deforestación y las actividades agrícolas en la Amazonia, y el nanosatélite de observación de la Tierra y recolección de datos VCUB1, operado por la empresa Visiona, una joint venture entre Embraer Defesa & Segurança y Telebras.
Comunicación LNA Telescopio PanEOS: el único equipo en Brasil dedicado al monitoreo de la basura espacialComunicación LNA
“Una buena configuración para una red nacional de vigilancia de los desechos espaciales debería estar compuesta por al menos 15 telescopios abocados a esta misión, con diferentes diámetros e instalados en distintas ubicaciones”, considera el astrofísico Wagner Corradio, director del LNA. “El territorio brasileño es muy amplio. Necesitamos información recabada en distintos lugares para poder realizar una buena triangulación de datos, lo que permite determinar correctamente la trayectoria y la velocidad de los objetos”, sostiene. El investigador explica que la información sobre la trayectoria de la basura espacial permite maniobrar los satélites con mayor precisión y evitar posibles colisiones.
Los telescopios dedicados al rastreo de la basura espacial en su mayoría se encuentran en el hemisferio norte y existen muchas lagunas en la observación por debajo de la línea del ecuador. En Brasil, el único equipo dedicado a esta tarea es el Panoramic Electro Optical System (PanEOS), perteneciente a la Agencia Espacial Federal Rusa (Roscosmos), que se encuentra instalado desde 2017 en el Observatorio Pico dos Dias, tras la firma de un acuerdo con la Agencia Espacial Brasileña (AEB), y es operado en forma conjunta con la Fundación de Investigación y Asesoría de la Industria, con sede en Itajubá (Minas Gerais).
Este instrumento, compuesto por un conjunto de cámaras, consta de un telescopio principal con una lente de 75 cm de diámetro, complementada por otras dos de 25 cm y dos más de 13,5 cm. Como informa Corradi, el foco de observaciones del PanEOS lo determina Roscosmos, que también es la destinataria de los datos que se recaban. “Disponemos de acceso pleno a los datos generados por el PanEOS, que se encuentran almacenados y a disposición de quien los necesite. Pero, a priori, no contamos con la prerrogativa de elegir los objetivos del telescopio. La red nacional vendría a darnos precisamente esta libertad de elección de objetivos”, dice el director del LNA.
La posibilidad de utilizar el PanEOS le permitió al físico colombiano William Humberto Úsuga Giraldo desarrollar la primera máscara brasileña para detectar fragmentos de basura espacial en las imágenes captadas por el telescopio. Fue el tema de su maestría en Ingeniería y Ciencias Aeroespaciales en la Facultad de Ciencias y Tecnología de la Universidad Federal de Rio Grande do Norte (UFRN), en 2022.
Una máscara está compuesta por un procedimiento computacional capaz de filtrar y diferenciar en la imagen captada por el telescopio aquello que es basura espacial y lo que es una estrella en el fondo del firmamento. Las máscaras son de uso exclusivo de los telescopios para los que han sido creadas. El PanEOS, empero, ya cuenta con máscaras rusas. Para el astrofísico José Dias do Nascimento Júnior, director de tesis de la maestría de Giraldo, el proyecto allana el camino para las investigaciones brasileñas con el PanEOS y aporta capacitación para el desarrollo en Brasil de nuevas máscaras destinadas a la lectura de datos sobre los residuos espaciales.
Está previsto que en 2025 entre en operación un telescopio de observación de basura espacial en el Observatorio Astronómico y Geoespacial de Paraíba, en Sítio Unha de Gato, cerca de Juazeirinho (Paraíba). El proyecto es fruto de un convenio entre la Universidad del Estado de Paraíba (UEPB) y el Observatorio Astronómico de Shanghái, en China. El equipo, denominado FocusGeo, está compuesto por tres telescopios de 18 cm de diámetro.
“Estamos en la etapa de redacción del memorándum de operación del telescopio”, dice el físico Lourivaldo Mota Lima, del Departamento de Física de la UEPB y coordinador del proyecto. Sin embargo, el investigador avisa que la información recabada será propiedad del observatorio chino, que podrá, a su criterio, poner los datos a disposición de las instituciones y de los científicos brasileños o de los sistemas internacionales de monitoreo de la basura espacial. “El objetivo de la UEPB es utilizar las imágenes generadas para efectuar investigaciones ni bien el telescopio se encuentre en operación”, explica Lima. “En virtud del acuerdo suscrito, durante los primeros cinco años las imágenes estarán a disposición de los investigadores que toman parte en el proyecto, tanto en Brasil como en el exterior”.
Alexandre Affonso / Revista Pesquisa FAPESP
Millones de desechos en el espacio Más allá de la autonomía operativa, la constitución de una estructura propia de observación y rastreo de la basura espacial le permitirá a Brasil un acceso privilegiado a las iniciativas internacionales que realizan un seguimiento de estos fragmentos, tales como la Red de Vigilancia Espacial de Estados Unidos y el Centro Europeo de Operaciones Espaciales. Según Corradi, las naciones e instituciones que colaboran aportando información a las redes internacionales disponen de amplio acceso a los datos recabados por otros países, mientras que los que no colaboran solamente pueden acceder a los datos públicos.
En un boletín publicado en julio de 2024, la Agencia Espacial Europea (ESA) estimó que la chatarra espacial en órbita terrestre estaría compuesta por 40.500 fragmentos de más de 10 cm, 1,1 millones de objetos de entre 1 y 10 cm y 130 millones de residuos de entre 1 milímetro (mm) y 1 cm. Tan solo 36.860 piezas, las mayores, son rastreadas regularmente por las redes de vigilancia espacial y figuran en sus catálogos.
Los fragmentos son mayoritariamente producto de aproximadamente 650 colisiones, explosiones y desintegraciones de artefactos espaciales, como el choque del satélite fuera de servicio ruso Kosmos 2251 con el estadounidense Iridium 33, en 2009, que generó 2.000 fragmentos de desechos de más de 10 cm y miles de partículas menores.
“Un objeto milimétrico viajando a velocidades que superan los 20.000 kilómetros por hora puede causar daños considerables cuando colisiona con un satélite, un telescopio espacial o la Estación Espacial Internacional”, dice el astrofísico Roberto Dias da Costa, del Instituto de Astronomía, Geofísica y Ciencias Atmosféricas de la Universidad de São Paulo (IAG-USP). “Un satélite averiado puede tener un impacto significativo en las telecomunicaciones, en la vigilancia territorial o en el pronóstico del clima”.
NasaCarcasa del motor del cohete Delta 2, que cayó en Arabia Saudita en 2001Nasa
Para la vida en la Tierra, la basura espacial aún no ha causado daños concretos. Solamente se conoce un caso de una persona que haya sido alcanzada por fragmentos procedentes del espacio, la estadounidense Lottie Williams, en enero de 1997, sin consecuencias. “No hay registros de daños materiales de consideración”, informa Costa. La mayoría de los objetos perdidos en el espacio, dice el profesor de la USP, son de un tamaño reducido, por lo que al ingresar a la atmósfera terrestre se queman y se desintegran. Hasta la fecha, los restos de mayor tamaño que no se quemaron o no se fragmentaron han caído principalmente en zonas desérticas o en los océanos. “Pero los riesgos siempre están presentes”, advierte.
De impacto ambiental desconocido Un problema que aún no se ha dimensionado en su justa medida es el impacto de la contaminación con basura procedente del espacio sobre el medio ambiente y la vida en la Tierra. “Se trata de una información que las agencias no facilitan”, dice el matemático Jorge Kennety Silva Formiga, investigador del Departamento de Ingeniería Ambiental del Instituto de Ciencia y Tecnología de la Universidade Estadual Paulista (ICT-Unesp), en São José dos Campos. “Sabemos que los materiales que llegan a la Tierra contienen titanio, aluminio, hierro y plomo, entre otros elementos. Pero, ¿cuál es el impacto futuro sobre el medio ambiente y quién se hará responsable?”, indaga el profesor.
El investigador considera que es fácil determinar quién es el dueño y el responsable legal de un cohete o de un satélite. Pero cuando se trata de fragmentos de artefactos que explotaron o colisionaron con otros objetos, que a menudo vuelven a chocar con otros artefactos en su recorrido, no resulta sencillo determinar las responsabilidades.
Formiga y el matemático Denilson Paulo Souza dos Santos, jefe del Departamento de Ingeniería Aeronáutica de la Facultad de Ingeniería de São José da Boa Vista (FESJ) de la Unesp, son coautores de un modelo matemático destinado a determinar la trayectoria de los desechos espacial, la información sobre su reentrada en la atmósfera y el punto de colisión con la Tierra. “El modelo matemático adquiere relevancia para el seguimiento de los residuos espaciales, ya que a muchos de ellos no se les realiza un seguimiento permanente luego de su vida útil. […] Una de las alternativas de aplicación del estudio es la recolección de la basura espacial, por ejemplo, mitigando así los problemas ocasionados por el exceso de residuos en las órbitas terrestres”, escribieron en un artículo publicado en 2021 en la revista Brazilian Journal of Development.
La propuesta del dúo consiste en analizar el ciclo de vida de los residuos espaciales, especialmente los fragmentos de satélites. “Estudiaremos la dinámica de los desechos luego de una explosión o de una colisión”, dice Santos. Cuando se produce un evento de este tipo, explica el investigador, se forma una nube de fragmentos. Los algoritmos en desarrollo van a analizar la propagación de esa nube, la trayectoria de los objetos y, si así fuera, su punto de reentrada en la atmósfera terrestre. “Una vez determinado todo el ciclo de vida de los desechos, podremos precisar su origen, los riesgos implicados y quiénes son los responsables legales de los mismos”, sopesa Formiga.
Con la ayuda de la FAPESP, los dos profesores también propusieron una estrategia de mitigación preventiva de los efectos de los desechos espaciales basada en maniobras tendientes a alterar la trayectoria de los objetos. Esto se haría a través de impulsos generados por un cañón láser terrestre, una técnica propuesta por el físico estadounidense Claude Philipps en un artículo publicado en la revista Acta Astronautica, en 2014.
Formiga y sus colegas desarrollaron un modelo matemático que utiliza información sobre la trayectoria de los desechos y el efecto gravitatorio para calcular la propulsión necesaria con el láser y los efectos del pulso láser sobre la trayectoria de desplazamiento del fragmento. El estudio dio lugar a una publicación en la revista The European Physical Journal en 2023. En el artículo se demuestra que el pulso láser es capaz de introducir un pequeño cambio en la variación de la velocidad de los residuos, alterando su trayectoria de reingreso en la atmósfera y evitando colisiones.
Este artículo salió publicado con el título “Basura en órbita de la Tierra” en la edición impresa n° 346 de diciembre de 2024.
Proyectos 1. Desechos espaciales: análisis del ciclo de vida y mitigación preventiva (nº 23/01391-5); Modalidad Ayuda de Investigación – Regular; Investigador responsable Denilson Paulo Souza dos Santos (Unesp); Inversión R$ 46.497,07. 2. La mitigación de los desechos espaciales: una dinámica basada en maniobras combinadas con láser terrestre y propulsión space blower (nº 22/13228-9); Modalidad Ayuda de Investigación – Regular; Investigador responsable Jorge Kennety Silva Formiga (Unesp); Inversión R$ 48.123,46.
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