La basura espacial y las nubes de desechos alrededor del planeta.

La impactante vida de Hubble rodeado de basura espacial.

La astronauta Kathy Thornton arroja una matriz dañada al espacio. La astronauta Kathy Thornton arrojó la matriz del Hubble dañada al espacio libre una vez que se hizo evidente que su mecanismo de compensación fallido lo había doblado en forma de arco, lo que hizo imposible volver a la Tierra al final de STS-61 en la Misión de Servicio en diciembre de 1993. Crédito: ESA

Durante sus 30 años en órbita alrededor de la Tierra, el telescopio espacial Hubble de la NASA/ ESA ha sido testigo de la evolución de los vuelos espaciales, con un cielo cada vez más lleno de satélites, el lanzamiento de la Estación Espacial Internacional e impactos y explosiones que han dado lugar a nubes de desechos en rápido movimiento.

El propio Hubble ha sufrido el impacto de estos residuos, acumulando minúsculos cráteres en sus paneles solares, que dan cuenta de una vida larga y agitada en el espacio. Pero ¿qué podemos aprender de esos impactos? ¿Y qué futuro le espera a Hubble?

En 1993 se lanzó el transbordador de la primera misión de mantenimiento de Hubble. Al corregir la óptica del observatorio espacial, este pudo empezar a capturar las imágenes increíblemente nítidas del universo que todos adoramos.

Los astronautas de la misión también sustituyeron los paneles solares que habían sufrido fluctuaciones debido a los cambios de temperatura. Uno se eliminó en órbita y acabó desintegrándose en la atmósfera terrestre, pero el otro se trajo de vuelta a la Tierra.

Parte de la contribución de la ESA a Hubble fue diseñar, fabricar y suministrar los paneles solares a cambio de tiempo de observación, motivo por el cual el conjunto usado quedó a disposición de la Agencia para su estudio.

Esa fue una de las primeras oportunidades en la historia de la exploración espacial de ver las consecuencias en un satélite de pasar más de dos años en órbita. El equipo descubrió cientos de cráteres de impacto en la superficie de una pequeña sección del panel, con tamaños que iban de micras a milímetros de diámetro. 

Nueve años más tarde, los paneles volvieron a sustituirse y regresaron a la Tierra, después de haber sumado casi una década de impactos.

Este conjunto de paneles ahora está expuesto en ESTEC (Países Bajos), aunque un pequeño fragmento viajó hasta el control de misiones en ESOC (Alemania), donde se encuentra la Oficina de Desechos Espaciales.

Evidencias del bombardeo inicial de Hubble.

Daño por impacto de la célula solar del Hubble. Análisis posterior al vuelo de un cráter de impacto en una de las alas solares desplegadas por el transbordador espacial Endevour en 1993 y recuperadas por el transbordador espacial Columbia en 2002. Crédito: ESA.

Aunque no sabemos exactamente cuándo tuvo lugar cada impacto, estos debieron producirse durante el periodo en órbita del conjunto de paneles. Así, en ellos se encuentran pruebas únicas de su actividad durante la estancia en el espacio.

Los cráteres de impacto se estudiaron para determinar su tamaño y profundidad, pero también para buscar posibles nuevos residuos. Dado que se conocía la composición química de las células solares, los objetos impactados podrían haber dejado en los cráteres elementos o materiales extraños.

La presencia de metales como el hierro o el níquel sugerirían que un impacto era de origen natural: fragmentos de asteroides y cometas conocidos como micrometeoroides. Sin embargo, los cráteres encontrados en los paneles solares de Hubble contenían pequeñas cantidades de aluminio y oxígeno, indicadores claros de actividad humana en forma de residuos del encendido de motores de cohetes sólidos.

El equipo de desechos espaciales, como parte de un esfuerzo mayor con socios tanto de la industria como del ámbito científico, fue capaz de identificar la forma y el tamaño de estos cráteres con modelos de encendido de cohetes de la época, y acabó encontrando una coincidencia entre los cráteres observados y los esperados.

¿Hubble sufrió daños?

Hubble con su segundo conjunto de mantas solares diseñadas por la ESA. El telescopio espacial Hubble es un proyecto conjunto ESA / NASA y fue lanzado en 1990 por la misión del transbordador espacial STS-31 en una órbita terrestre baja a 600 km del suelo. Durante su vida, Hubble se ha convertido en uno de los proyectos científicos más importantes de la historia. Las alas solares originales del Hubble fueron construidas por la ESA. Delgadas y flexibles en su naturaleza, constaban de dos alas de paneles solares de doble despliegue. Cada grupo se encuentra en un mástil de 1.2 m que soporta un ala retráctil de paneles solares de 12.1 m de largo y 2.5 m de ancho en extensión completa, con conjuntos de amortiguación para interconectando el tambor de estiba y la barra separadora tensando las mantas. Crédito: ESA.

Estas pequeñas partículas, con tamaños que van de micrómetros a un milímetro, habrían chocado contra Hubble a velocidades relativas de 10 km/s, aunque no tuvieron efectos pronunciados en el satélite, que sigue capturando imágenes asombrosas del universo.

Estos impactos se producen con cierta frecuencia en todo tipo de satélites y la principal consecuencia es la degradación, gradual pero continua, en la cantidad de energía que pueden producir los paneles solares.

Las nuevas misiones aprovechan un modelo creado por el equipo de desechos espaciales basándose en datos tempranos de impacto de Hubble para predecir cuántos impactos se puede esperar en cada misión y qué efectos tendrán en la energía solar.

Hubble aún vive bajo la amenaza de una colisión.

Esta animación muestra diferentes tipos de objetos de desechos espaciales y diferentes tamaños de desechos en órbita alrededor de la Tierra.

Para objetos de escombros mayores de 10 cm, los datos provienen del Catálogo de Vigilancia Espacial de EE. UU.

La información sobre objetos de escombros menores de 10 cm se basa en un modelo estadístico de ESA.

Número de objetos de desechos espaciales en órbita:

Más grande que 1 m: 5 400 objetos

Mayor de 10 cm: 34 000 objetos (entre ellos solo 2 000 satélites activos)

Más grande que 1 cm: 900 000 objetos

Más grande que 1 mm: 130 000 000 objetos

Código de color:

Rojo: satélites (funcionales o disfuncionales)

Amarillo: cuerpos de cohetes

Verde: objetos relacionados con la misión (cubiertas, tapas, adaptadores, etc.)

Azul: fragmentos.

Créditos: ESA.

Imaginemos a Hubble en órbita, dentro de un cubo de 1 x 1 x 1 km. De media, en cualquier momento habrá un objeto de una micra dentro de ese cubo, ya que en cada kilómetro cúbico de espacio alrededor de la Tierra hay un pequeño residuo espacial.

En principio no parece mucho, pero recordemos que tanto Hubble como estos minúsculos fragmentos viajan a 7,6 km/s con relación a la Tierra. Gran parte de las colisiones no se producen de frente, sino en ángulo, por lo que la velocidad relativa de los impactos asciende a unos 10 km/s.

Para simplificar, imaginemos que estas partículas viajan a 10 km/s con relación a un Hubble inmóvil. Así, cada segundo se cruzarían diez de estos objetos por el espacio cúbico de Hubble. Si tenemos en cuenta que los paneles solares del telescopio ocupan una gran superficie, pues miden unos 7 x 2 m, aumenta la probabilidad de que acaben encontrándose con un gran número de estos proyectiles.

Muestra de impacto a alta velocidad. Su imagen muestra los resultados del impacto de una prueba de laboratorio entre una pequeña esfera de aluminio que viaja a aproximadamente 6,8 km por segundo y un bloque de aluminio de 18 cm de espesor. Esta prueba simula lo que puede suceder cuando un pequeño objeto de desechos espaciales golpea una nave espacial. Al diámetro de la esfera: 1,2 cm. Al esfera masa: aproximadamente 1,7 g. Diámetro del cráter de impacto: 9,0 cm. Profundidad del cráter de impacto: 5,3 cm. En tal impacto, la presión y la temperatura pueden exceder las que se encuentran en el centro de la Tierra, p. mayor de 365 GPa y más de 6 000 K. Crédito: ESA

Hoy Hubble sufre una amenaza similar por la presencia de pequeños residuos espaciales a la que experimentaba poco después de su lanzamiento. Aunque se siguen formando partículas del orden de micras, la atmósfera a esa baja altitud, 547 km por encima de la superficie terrestre, también barre un gran número de ellas.

En cambio, el riesgo que suponen los objetos más grandes es, lamentablemente, cada vez mayor. Los fragmentos de residuos de 1-10 cm son demasiado pequeños como para catalogarse y rastrearse desde tierra, pero bastarían para destruir un satélite entero. A la altitud de Hubble, la probabilidad de colisión con uno de estos objetos se ha duplicado desde principios de los años 2000, pasando del 0,15 % al 0,3 % al año.

Hubble vive donde se desplegarán las megaconstelaciones.

Cobertura de mega constelaciones. Las mega constelaciones de cientos o incluso miles de satélites de órbita baja ofrecen un medio para adquirir cobertura continua para servicios de telecomunicaciones u observación de la Tierra. Crédito: ESA.

En la actualidad se están lanzando algunos satélites cuya órbita no se puede modificar. Así, al finalizar su vida útil no se pueden maniobrar, sino que pueden insertarse en altitudes relativamente bajas para que, con el tiempo, la atmósfera terrestre los atraiga y acaben desintegrándose. Estas altitudes incluyen la región en la que se halla Hubble.

Además, el número total de satélites operativos que se van a desplegar en esta región parece llamado a aumentar rápidamente. Ciertas constelaciones de Internet de banda ancha, la mayor de las cuales está previsto que contenga miles de satélites, tienen la vista puesta en esta región.

Seguridad espacial en la ESA.

ClearSpace-1 de la ESA será la primera misión espacial en eliminar un elemento de los escombros de la órbita, planificada para su lanzamiento en 2025. La misión se está adquiriendo como un contrato de servicio con un consorcio comercial liderado por start-ups, para ayudar a establecer un nuevo mercado para servicio en órbita, así como para remoción de escombros. Crédito: ClearSpace.

Para evitar la formación de más basura espacial por colisiones, el Programa de Seguridad Espacial de la ESA está desarrollando tecnologías de “evasión automatizada de colisiones” que, al automatizar el procesos de toma de decisiones en tierra, harán que la evasión de colisiones resulte más eficiente.

Pero ¿qué hacemos con la basura que ya está en el espacio? Por primera vez en la historia, la ESA ha puesto en marcha una misión de retirada activa de desechos, que eliminará de forma segura un objeto actualmente en órbita. El objetivo de la misión ClearSpace-1 será una pieza del cohete Vespa, de 100 kg, que quedó en órbita tras el segundo vuelo del lanzador Vega de la ESA en 2013.

Con una masa de 100 kg, su tamaño es similar al de un satélite pequeño. Además, su forma relativamente simple y su construcción robusta hacen que sea un primer candidato ideal, antes de pasar a capturas mayores y más difíciles en misiones posteriores, que con el tiempo también incluirán capturas multiobjeto.

• Publicado en ESA-España el 4 de mayo del 2020, enlace publicación.