Basura espacial localizada en órbita baja terrestre / Wikipedia

Amarras electrodinámicas desnudas: delgadas pero sólidas

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La salida de órbita de satélites y su reentrada en la atmósfera terrestre resultan esenciales para poner freno al aumento continuo de basura espacial. El proyecto BETS, que concluye este mes, está teniendo una repercusión considerable gracias a la solución que propone, que gira en torno a un nuevo tipo de amarra y que es más rápida y resistente a los daños que las demás tecnologías existentes en la actualidad. 

Imagen: Cordis

Imagen: Cordis

En el camino que va hasta la mejora de la seguridad de los activos espaciales, podría considerarse como línea de meta la consecución de una órbita terrestre libre de basura. Pero para alcanzar esa meta, las distintas partes interesadas tendrán que despejar tres incógnitas: cómo detener la acumulación de residuos en el espacio, cómo librarnos de la basura ya existente y, hecho esto, cómo mantener limpio el espacio. 

La «eliminación posterior a la misión» (Post mission disposal, PMD), cuya finalidad es trasladar los activos espaciales a una órbita de retiro o bien reintroducirlos en la atmósfera al final de su vida útil, desempeñará una función muy importante de cara a despejar la primera y la tercera de dichas incógnitas. Aunque diversos expertos afirman que la PMD por sí sola no impedirá que la cantidad de basura se incremente sin control (el llamado síndrome de Kessler postula que cada colisión genera un enjambre de fragmentos de basura, provocando una reacción en cadena), lo cierto es que sí contribuirá a evitar un agravamiento de la situación. Además, demostrando su eficacia, ganará enteros la propuesta de la «eliminación activa de basura» (active debris removal, ADR), ya que empresas y gobiernos se convencerían de no estar invirtiendo en una causa perdida. 

Las tecnologías de salida de órbita y reentrada, limitadas antaño a los cohetes, experimentaron un desarrollo meteórico cuando en 1992 se propuso la idea de las amarras desnudas. Sin embargo, hasta ahora, estos cables conductores alargados que cuelgan de los satélites presentaban una gran vulnerabilidad frente a la abundante basura espacial de tamaño reducido. 

El proyecto BETS («Bare Electrodynamic Tethers») podría haber hallado la solución a este problema: sustituyendo las amarras redondeadas convencionales por cintas, observaron que la probabilidad de que sufrieran daños por efecto de la basura durante su salida de órbita se reducía en varios órdenes de magnitud, es decir, era cientos de veces menos probable. 

El profesor Juan Sanmartín, coordinador del proyecto, explicó de qué manera los hallazgos de su equipo han conseguido que los sistemas de amarras para salida de órbita sean más eficaces, rápidos y resistentes que las demás tecnologías de las que se dispone. 

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¿Cuáles son los objetivos principales del proyecto? 

Profesor Juan Sanmartín: El proyecto BETS está centrado en un único objetivo a largo plazo muy ambicioso: demostrar que un sistema de amarra para salida de órbita con una complejidad mínima es superior a todos los demás sistemas posibles, incluidos los de propulsión (química o eléctrica) y los de arrastre reforzados mediante vela. Queremos probar que nuestra propuesta presenta la menor relación másica entre el sistema y el satélite, que la salida de órbita es más rápida y que permite una mayor maniobrabilidad, y también que ofrece una gran fiabilidad y la capacidad de sobrevivir a la basura espacial en el transcurso de la operación. Se determinó que el proyecto desarrollaría esta idea hasta un nivel de preparación tecnológica de 4 o 5, esto es, su validación en el laboratorio y en un entorno pertinente. 

Una amarra espacial (tether) es un cable conductor delgado de varios kilómetros de longitud que comunica un satélite con una masa situada en su otro extremo. El armazón del cable se encuentra en movimiento en relación con el plasma en corrotación y el campo magnético terrestre. En consecuencia, el plasma ambiental, altamente conductor, que es equipotencial en su propio armazón, presenta en el armazón de la amarra un campo eléctrico direccional de un orden de cien voltios por kilómetro, que es el producto de la velocidad de la órbita (cercana) y el campo geomagnético. Ello permite que los dispositivos contactores de plasma capten electrones en un extremo (anódico) con polarización positiva y expulsen electrones por el extremo opuesto, generando una corriente a lo largo de una amarra estándar totalmente aislada. La fuerza de Lorentz ejercida sobre la corriente de inducción magnética que discurre por la cinta provoca el descenso orbital del satélite. 

¿Qué clase de avances tecnológicos aporta BETS? 

La propuesta de amarra desnuda implica eliminar el aislamiento y obtener los electrones por el segmento anódico para lograr una captación de corriente mucho más efectiva. Hace un decenio, podría haberse dicho que la tecnología de esta clase de amarra adolecía de tres inconvenientes. Uno era la cuestión de la reentrada, solucionada años antes de BETS con la técnica de Design for Demise («diseñado para morir»). Otro era la escasa probabilidad de supervivencia (de consenso general) de los cables redondeados en caso de colisión con basura de pequeño tamaño. Así nació un concepto complejo como es la «cinta» de múltiples líneas (o «cinta falsa»), hecha con cables redondeados delgados conectados entre sí para soportar impactos de basura. Este concepto también surgió antes del inicio de BETS y, a grandes rasgos, se ha aceptado como la solución frente al problema de la capacidad de supervivencia de los cables. 

Nuestra aportación consiste en la demostración de que una cinta desnuda podría soportar los impactos con muchas más garantías que una amarra redonda desnuda, gracias a que la salida de órbita es más rápida y al carácter dispar de la anchura y el grosor. Esto y el hallazgo de que una cinta real sale de órbita a mayor velocidad que la «cinta falsa» constituyen un resultado fundamental en lo que concierne a la tecnología de amarras espaciales. 

El tercer inconveniente estribaba en la larga duración de la salida de órbita que, en apariencia, llevaban aparejadas las órbitas de gran inclinación. Esto se compensó en parte mediante cálculos muy precisos valiéndose de un modelo pormenorizado del campo geomagnético. En BETS se demostró también que el acoplamiento de las oscilaciones en plano y fuera de plano, si se restringía, facilitaba la salida de órbita al mantener la amarra a una distancia moderada con respecto al plano orbital. 

Ha dicho que esta tecnología es mucho más eficaz. ¿En qué sentido? 

Las amarras emplean un mecanismo de disipación bastante diferente al de la resistencia aerodinámica y permiten salir de órbita en unos pocos meses. Además, las amarras de cinta son mucho más ligeras que las de cable redondeado de longitud y perímetro equivalentes, que pueden captar una corriente igual. Los tres dimensiones distintas de cinta permiten ajustar fácilmente y a voluntad la escala del diseño a las condiciones de cada misión. Activando y desactivando el contactor catódico, se puede maniobrar para evitar colisiones catastróficas con basura de gran tamaño de trayectoria conocida. El frenado por efecto de la fuerza de Lorentz es tan fiable como la resistencia aerodinámica. Como se ha dicho anteriormente, las amarras presentan una efectividad razonable en inclinaciones orbitales elevadas. 

¿Qué etapas restan del proyecto? ¿Qué planes hay para cuando llegue a su fin? 

El Sr. Gómez Molinero, Director Técnico de Airbus Defensa y Espacio España, manifestó su interés en las amarras electrodinámicas en el transcurso del VI Congreso europeo sobre basura espacial (6th European Conference on Space Debris) en ESOC/ESA (2012). Se mantuvieron varios contactos y encuentros entre BETS-UPM y el Sr. Gómez, y éste realizó una presentación sobre una posible colaboración de cara a la futura convocatoria de Horizonte 2020. Airbus está interesada en el uso de amarras electrodinámicas desnudas para sacar de órbita los módulos de lanzamiento de múltiples cargas útiles en las lanzaderas VEGA o Soyuz-Fregat Arianespace, módulos que también construye. Con ese fin, contactó con Arianespace, y uno de sus colaboradores en Airbus emprendió el diseño preliminar de tal misión de demostración bajo la supervisión de la UPM. Para esta primavera se ha programado una reunión con Arianespace. 

¿Están satisfechos con los resultados de su investigación? 

Lo estamos. Un resultado importante de BETS fue el hecho de determinar los criterios de diseño para ajustar el tamaño de las tres dimensiones distintas de la amarra de cinta, todo lo cual afecta a la masa, los efectos óhmicos, el régimen de captación de corriente, el campo automagnético y la capacidad de supervivencia frente a la basura espacial en distintas condiciones ambientales y a medida que el cable pierda altitud. Ya se ha registrado un código completo, específico y exhaustivo, denominado BETsMA. 

Otros resultados importantes son procedimientos innovadores de fabricación y las pruebas en tierra de maquinaria básica del sistema de cable: el contactor de plasma (Universidad Estatal de Colorado), el módulo de control de potencia (una empresa pequeña llamada emxys), el mecanismo de despliegue (DLR, Bremen) y una cinta con estructura longitudinal/transversal (Fundación Tecnalia). Por otra parte, en la Universidad de Padua y en ONERA-Toulouse se ha realizado investigación fundamental que ha ampliado los conocimientos de física básica en los que se sustenta la tecnología de amarra. 

¿Ha manifestado algún gobierno interés en implantar esta tecnología? 

Sin duda, podría tener repercusión a nivel político o internacional. Cada vez hay más países que disponen de acceso directo al espacio, por lo que el de la basura espacial no es un problema de alcance meramente europeo o nacional, sino totalmente internacional. Para garantizar la eficacia de la salida de órbita de los satélites futuros al final de su vida útil, se necesita un consenso internacional que correspondería a una labor de gobernanza espacial a cargo de la ONU. Indudablemente, el proyecto podría desembocar en el aprovechamiento de su tecnología puntera por parte de empresas con sede en Europa pero, a la larga, su éxito en el plano político podría llegar a ser comparable al logrado en el plano comercial.

Tenemos ante nosotros múltiples oportunidades. Una de ellas es que Horizonte 2020 incluye un tema dedicado a la demostración en órbita de la salida de órbita de un satélite al término de su vida operativa. 

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