Constelaciones de satélites
La empresa estadounidense inauguró el año espacial con el lanzamiento de otros sesenta satélites de su constelación Starlink. La misión F9-79, a cargo de un Falcon 9 v1.2 Block 5, despegó el 7 de enero de 2020 a las 02:19 UTC desde la rampa SLC-40 de la Base Aérea de Cabo Cañaveral. La primera etapa, la B1049.4, realizaba su cuarto vuelo y fue recuperada poco después cuando aterrizó con éxito en la barcaza OCISLY (Of Course I Still Love You), situada en el océano Atlántico a 630 kilómetros de la costa de Florida. Es la 48ª etapa recuperada por SpaceX y la segunda que se ha utilizado cuatro veces. Los satélites Starlink fueron situados en una órbita inicial de 290 kilómetros de altura y 53º de inclinación después de dos encendidos de la segunda etapa y unos 61 minutos tras el despegue.
Ahora cada satélite usará su propio sistema de propulsión con motores a base de kriptón para alcanzar sus órbitas definitivas, a unos 550 kilómetros de altura. Desgraciadamente, la cofia no pudo ser recuperada. Esto convierte a SpaceX en el operador de la mayor flota de satélites activos del planeta (aunque unos pocos satélites de las anteriores misiones ya no están funcionando). Recordemos que la constelación Starlink contará con miles de satélites en órbita baja con el objetivo de dar servicio de comunicaciones de banda ancha a todo el globo —con la excepción de los polos—. SpaceX ha declarado que planea lanzar hasta 42 000 unidades, pero, en cualquier caso, se podrán ofrecer servicios comerciales a nivel mundial a partir de las 1500 unidades, aproximadamente, y en latitudes más bajas a partir de la mitad, unos 720 satélites (doce lanzamientos). La fase inicial de la constelación constará con 12 000 unidades.
Para SpaceX el proyecto Starlink es clave porque Elon Musk quiere usar los beneficios comerciales de esta constelación para financiar su ambicioso proyecto Starship/Superheavy. Sin embargo, la megaconstelación Starlink ha atraído en los últimos meses la crítica de parte de la comunidad científica por el daño provocado al cielo nocturno derivado de una presencia casi constante de satélites. Para contrarrestar la mala fama, estos últimos satélites van a servir para ensayar técnicas de reducción de brillo. O sea, que estos satélites son más oscuros que los anteriores (en cualquier caso esto no soluciona los problemas de contaminación lumínica en infrarrojo cercano). SpaceX ha declarado que los satélites Starlink son más brillantes durante las primeras semanas debido a la orientación de sus paneles solares, que al principio es paralela a la superficie terrestre para reducir el rozamiento atmosférico.
SpaceX planea llevar a cabo más de 25 lanzamientos de la constelación Starlink este año, de un total de 38 misiones, todo un récord. Los satélites Starlink se construyen en la división de SpaceX en Redmond (estado de Washington) y tienen una masa de cerca de 260 kg cada uno. Cada satélite dispone de un único panel solar rectangular y de un sistema de propulsión para alcanzar su órbita final a base de motores de plasma (de efecto Hall) con kriptón como propelente (en este tipo de motores normalmente se usa xenón, otro gas noble). Los primeros sesenta satélites eran de la versión v0.9, con 227 kg cada uno. Los nuevos satélites v1.0 tienen cuatro veces mayor ancho de banda que los de la y se cree que alcanzan los 17 Gbps por unidad. gracias a sus antenas para bandas Ka y Ku.
El cuarto o, en la terminología de la empresa de Elon Musk, el tercero (misión F3). La aparente paradoja se debe a que se trata del cuarto en total y el tercero de la versión v1.0, pero el caso es que SpaceX ya ha lanzado un total de 240 satélites Starlink (242 si contamos los dos prototipos iniciales). Y si parecen muchos, prepárense, porque SpaceX quiere lanzar más de mil unidades antes de que termine el año. El 29 de enero de 2020 a las 14:06 UTC, un Falcon 9 v1.2 Block 5 despegó desde la rampa SLC-40 de la Base Aérea de Cabo Cañaveral con 60 satélites Starlink v1.0. Tras dos encendidos de la segunda etapa, la carga útil, con una masa total de 15,6 toneladas, se separó en una órbita de 290 kilómetros de altura y 53º de inclinación unos 61 minutos tras el lanzamiento.
Una vez alcanzada una órbita de 350 kilómetros, dos de los grupos pararán el ascenso para quedarse en distintos planos orbitales que el primer grupo. Finalmente, los sesenta satélites alcanzarán una órbita operacional de 550 kilómetros. Por su parte, 35 minutos tras el despegue la primera etapa B1051 aterrizó perfectamente sobre la barcaza OCISLY (Of Course I Still Love You), situada a más de 600 kilómetros de la costa de Florida. Era la tercera vez que se usaba esta etapa, que previamente había lanzado la Crew Dragon DM-1 (3 de marzo de 2019) y los tres primeros ejemplares de la constelación canadiense RadarSat (12 de junio de 2019). Es la 49ª ocasión que SpaceX recupera una primera etapa. Además, una de las mitades de la cofia fue recuperada con la red del barco Ms. Tree antes de que tocase el agua. La otra mitad no pudo ser capturada por el buque gemelo Ms. Chief y cayó al océano, aunque luego fue recogida (era la segunda ocasión que los dos barcos intentaban recoger ambas mitades al mismo tiempo). Este ha sido el segundo lanzamiento de un Falcon 9 en 2020, los dos dedicados a la constelación Starlink.
Los miles de satélites Starlink que poblarán la órbita baja prometen ofrecer un servicio de conexión a Internet de banda ancha en cualquier lugar del globo (a un precio que SpaceX todavía no ha hecho público), pero también se han convertido en la pesadilla de astrónomos de todo el mundo ante el gravísimo impacto que esta megaconstelación tendrá en la práctica de la astronomía profesional y amateur, un problema agravado con la total falta de regulación internacional sobre el tema. Ante estas protestas, el anterior lanzamiento incluyó un satélite modificado para reducir su brillo. El satélite, apodado DarkSat (Starlink 1130) lleva un recubrimiento menos brillante. Desgraciadamente, las observaciones desde tierra no parecen indicar que DarkSat sea mucho más oscuro que sus numerosos y ubicuos hermanos.
Las sesenta unidades lanzadas recientemente no incluyen ningún DarkSat entre sus filas, pero sí que tienen mejoras relacionadas con las características de la señal emitida y poseen una mejor eficiencia espectral gracias a un nuevo conjunto de cuatro antenas. Estas nuevas unidades tienen una masa de 260 kg, 30 kg por encima de los v0.9 originales. Del mismo modo, y de acuerdo con SpaceX, estos nuevos ejemplares han sido optimizados para minimizar el riesgo de que alguna pieza de dimensiones importantes sobreviva a la reentrada. Todas estas mejoras se incorporarán en futuras versiones, pero, por el momento, este conjunto no incluye enlaces de comunicaciones entre satélites, fundamentales para garantizar el éxito de la megaconstelación. De los primeros satélites Starlink ya lanzados, aproximadamente una decena reentrarán controladamente en los próximos meses, lo que permitirá que SpaceX recabe más datos sobre la destrucción en la atmósfera de las unidades de esta constelación.
SpaceX quiere lanzar un mínimo de 720 satélites antes de finales de año para comenzar a ofrecer un servicio limitado en algunas zonas del globo, aunque su objetivo inicial es desplegar una constelación inicial de 1584 satélites. Recordemos que la primera fase de Starlink incluirá la friolera de unos 12000 satélites, pero Elon Musk quiere lanzar hasta 40 000 satélites a lo largo de la próxima década. Mientras tanto, estaría bien poder contemplar uno de estos satélites de cerca, porque, pese a haber lanzado ya más de doscientas unidades, seguimos sin tener imágenes detalladas de estos pequeños enemigos de los astrónomos.
Las megaconstelaciones de satélites presentan una serie de desafíos que deben ser abordados antes de que sean operativas si no queremos que el problema se nos vaya de las manos. El más obvio es la contaminación lumínica que amenaza el futuro de la astronomía profesional y amateur en todo el globo, pero hay otros, como la contaminación en otras longitudes del espectro electromagnético, el problema que presentan como fuente de basura espacial y, relacionado con este último, la caída de objetos procedentes del espacio. O, traducido a un lenguaje más simple, ¿cuál es la probabilidad de que te caiga un satélite de una de estas megaconstelaciones en la cabeza? Es, como veremos, un asunto complejo, pero una estimación por lo alto apunta a que podríamos tener una víctima mortal por década.
SpaceX afirmó que los vehículos están equipados con sensores para esquivar colisiones, pero los ingenieros aún se preocupan por los desechos orbitales que existen hoy alrededor de la Tierra.La compañía también planea recubrir los satélites con material antirreflectante para aliviar las preocupaciones sobre esta gran constelación que interfiere con las observaciones astronómicas.
Actualmente, la reentrada de restos de satélites a la Tierra es un fenómeno tan poco frecuente que la probabilidad de que alguien resulte herido o muerto es prácticamente nula. Al fin y al cabo, la Tierra es muy grande y la mayoría de su superficie —océanos, desiertos, polos, etc.— está deshabitada. Pero las nuevas megaconstelaciones podrían cambiar este paradigma. Actualmente hay unos 2000 satélites en activo, pero este número va aumentar drásticamente en los próximos años. Solo SpaceX tiene intención de colocar hasta 42000 unidades en órbita baja. Y, además de SpaceX, otros muchos gobiernos y empresas también planean lanzar constelaciones con cientos o miles de satélites cada una. Aunque la mayoría de los satélites de estas megaconstelaciones se destruirán de forma controlada mediante reentradas en el Pacífico sur —u otra zona deshabitada—, siempre habrá un pequeño número de unidades que dejen de funcionar y que, con el tiempo, reentren sin control (por cierto, otro problema a abordar será la contaminación, a secas, de estas áreas de los océanos con miles de satélites que irán reentrando a medida que vayan abandonando su vida útil).
Un reciente estudio a cargo de The Aerospace Corporation ha intentado abordar el riesgo que la reentrada de satélites de megaconstelaciones presentan para personas y vuelos comerciales. Para empezar, hay que tener en cuenta varios factores. El primero es que no todas las latitudes son igual de peligrosas. La mayoría de satélites en órbita baja tiene una inclinación orbital de entre 20º y 70º, por lo que son las zonas comprendidas entre las latitudes 20º y 70º en el hemisferio norte y -20º y -70º en el sur son las que más probabilidades de sufrir la reentrada de un satélite. Y, precisamente, las regiones comprendidas entre latitudes entre 20º y 70º norte son donde se encuentra la mayoría de la población del planeta. El segundo factor a tener en cuenta es que un satélite no llega al suelo de una pieza, sino que se fragmenta durante la reentrada. Eso sí, algunas piezas sí que pueden alcanzar el suelo relativamente intactas, especialmente los tanques de propergoles o COPVs (Composite Overwrap Pressure Vessels).
Por otro lado, la energía mínima que debe tener un objeto al llegar al suelo para resultar peligroso es de 15 julios. Este factor es más importante que el tamaño o la masa del objeto, ya que la composición y la velocidad terminal del cuerpo puede variar mucho en función del tipo de fragmento. Para estimar la probabilidad de que nos caiga un pedazo de satélite en la crisma, el estudio se pone en el peor de los casos posibles. Es decir, se trata de calcular una probabilidad máxima. Para ello, se supone que la población del planeta está desprotegida, o sea, al aire libre. Igualmente, toma como masa para los satélites 560 kg, la misma de los satélites Iridium de primera generación (la razón es que en su momento se hicieron muchos estudios sobre la reentrada de estos satélites). En cuanto al número de satélites, el estudio presupone la presencia de unos 16000 satélites, incluyendo los 12000 de la primera fase de Starlink más los de otras constelaciones.
La conclusión del estudio es que la probabilidad de que la caída de los restos de uno de estos satélites hiera o mate a alguien es de 0,1 al año, o lo que es lo mismo, en diez años se produciría una víctima mortal por impacto de satélite. En cuanto al riesgo para la aviación, sería mucho más bajo, de tal forma que solo se prevé un accidente catastrófico cada 200 años. Conviene resaltar que, como hemos dicho, el estudio se pone en el peor de los escenarios posibles. En realidad, la masa de los Starlink, los más numerosos, es de unos 250 kg, menos de la mitad de lo estimado en el análisis. Del mismo modo, los Starlink carecen de propulsión hipergólica y solo usan motores a base de kriptón, por lo que no poseen peligrosos COPVs como los Iridium de primera generación. SpaceX ha declarado además que ha tenido en cuenta este problema y que los Starlink se fragmentarán concienzudamente durante la reentrada, aunque no ha divulgado detalles técnicos sobre el tema.
Sin embargo, el estudio es conservador en el número de satélites. Si SpaceX consigue lanzar 42000 satélites Starlink o los chinos despliegan todas sus megaconstelaciones planeadas, la probabilidad de impacto aumentaría significativamente. En cualquier caso, a falta de un estudio más serio y sistemático por parte de alguna de esas organizaciones que han hecho una escandalosa dejación de funciones en todo este asunto de las megaconstelaciones —FAA, ONU, UAI, etc.—, se trata de un primer paso para entender a qué nos enfrentamos. Ciertamente, la probabilidad de que te caiga un Starlink en la cabeza seguirá siendo muy baja, tanto que puedes seguir con tu vida sin preocuparte por el tema. Sin embargo, ya no hablamos de un riesgo totalmente despreciable y, por tanto, habrá que tenerlo en cuenta.
SpaceX quiere llevar a cabo unos 25 lanzamientos para poner en órbita satélites Starlink. Si este frenético calendario se cumple, acabaremos el año con más de 1500 satélites de esta constelación.
El objetivo de todo esto es lograr crear una conexión global por medio de esta red comercial de satélites. Pero para lograr que las personas se conecten a estos satélites desde la Tierra, se necesitará un hardware especial llamado “Starlink Terminals V1” que serán las que nos den señal.
Curiosamente, para la instalación de estas estaciones no se requiere ni siquiera ser un genio en tecnología o un ingeniero en nada. Simplemente basta con conectar la terminal a la luz y dejar que por si sola se ajuste de manera automática de acuerdo a la posición actual de los satélites. Básicamente como un girasol pero en busca de señales satelitales.
Las terminales siempre estarán buscando la señal al cambiar de posición constantemente y tan solo por eso, suena a que tendremos algo muy caro entre manos. Pero no se han confirmado aún los precios del hardware ni del servicio aún, por lo que hay que estar atentos a cualquier actualización que podamos tener sobre esta nueva tecnología que tendremos ante nosotros.
Pero Starlink no es el único actor en esta película.
La constelación OneWeb ha planeado más de 13 lanzamientos este año, la inmensa mayoría con 34 satélites cada uno, usando lanzadores Ariane 6, Soyuz-2.1b y LauncherOne.
La constelación europea OneWeb, cuyas unidades ya han comenzado a ser lanzadas, planea poner en órbita baja 900 satélites. Dentro de unos años Amazon quiere poner en servicio la red Kuiper con 3236 satélites, Samsung desea lanzar su propia constelación con 4600 satélites, Boeing quiere lanzar 3000 unidades, la empresa india Astrome Technologies unos 600 satélites.
También tenemos a los chinos, que planean poner en servicio varias megaconstelaciones. Recientemente se anunció que la primera megaconstelación china, Hongyan, contará con 864 unidades en órbitas de hasta 1200 kilómetros de altura y 86,5º de inclinación.
Como contraposición, un nuevo estudio demuestra que con 4 satélites en realidad se podría abastecer de cobertura a (casi) toda la superficie de la Tierra.
¿Cuál es el número mínimo de satélites que hace falta para orbitar la Tierra y cubrirla al completo? Un solo satélite por ejemplo no podría hacer esta tarea ya que al ser la Tierra una esfera, no puede cubrir toda su área al mismo tiempo. Dos satélites tampoco llegan a cubrir del todo la superficie terrestre. Sin embargo, no hay por qué recurrir a miles de ellos tampoco. Ya en la década de los '80 un investigador propuso que simplemente cuatro satélites orbitando la Tierra serían suficientes.
La teoría del investigador John E. Draim era que los satélites deberían estar a una altura mayor de la que están ahora, es decir, más alejados de la Tierra. Con esto los satélites podrían cubrir un área más grande y con las órbitas adecuadas y sincronizadas cuatro satélites podrían cubrir la superficie terrestre sin problemas. La dificultad para hacer esto realidad reside en que no es tan fácil mantener los satélites tan alejados de la Tierra. Implica más consumo de energía para evitar que se desvíen.
Casi cuatro décadas después, un nuevo estudio publicado en Nature explica cómo sí que sería posible llevar a cabo esta hazaña sin un consumo mayor de energía. Los investigadores analizaron cuáles son los factores que hacen que los satélites desorbiten con el tiempo: la propia gravedad de la Tierra, la influencia que puede tener la Luna, la radiación solar... A partir de comenzaron a generar diversas simulaciones con cientos de miles de órbitas posibles para ver cuál sería la óptima que mantenga los satélites en su lugar.
¿El resultado? Han encontrado dos modelos posibles:
Una combinación de 3 satélites que en órbitas de 24 horas pueden cubrir el 86% de la superficie terrestre.
Una combinación de 4 satélites que en órbitas de 48 horas pueden cubrir el 95% de la superficie terrestre.
La imagen de la izquierda es con tres satélites y la de la derecha es con 4.Las áreas dibujadas son las que temporalmente quedarían sin conexión y las amarillas con una conexión de 80 minutos.
Ninguno de los modelos es 100% efectivo, ya que siguen sin poder cubrir toda la superficie del planeta de forma constante. Sin embargo, consideran que ese pequeño margen del 5% que se sacrifica podría aportar muchas otras ventajas económicas y para la preservación del espacio que rodea la Tierra. En ambos modelos los satélites se pueden mantener en órbitas más altas de forma prolongada porque operan de la forma óptima para aprovechar parte de la energía de la radiación gravitacional y solar.
No es sólo cuestión de contaminación, también es más económico por el simple hecho de reducir la cantidad de satélites. Los investigadores creen que se podría ampliar la vida útil de estos satélites. Explican que ese 5% que no llegan a cubrir se puede ajustar para que sean 80 minutos concretos del día. Quizás para ofrecer Internet continuó no serían los satélites ideales pero sí para otras actividades donde no es necesaria una conexión ininterrumpida. Además, siempre se puede solventar con un satélite extra o con una cobertura mixta.
Las megaconstelaciones de satélites de comunicaciones necesitan miles de unidades en órbitas relativamente bajas para cubrir todo el planeta. Si estuvieran en órbitas más altas se necesitarían menos unidades, pero entonces el inexorable límite impuesto por la velocidad de la luz provocaría que el tiempo de latencia de las comunicaciones en banda ancha fuese demasiado alto para las necesidades actuales. Los satélites Starlink estarán situados entre los 350 y los 1200 kilómetros de altura, pero la mayoría de unidades del resto de megaconstelaciones estará más cerca de los mil kilómetros de altura para reducir el número de unidades.
Cuanto más alto esté un satélite, menos brillante será, pero, a cambio, más tiempo permanecerá iluminado por el Sol. Aunque en una zona de la superficie terrestre ya sea de noche, algunos satélites siguen bañados en la luz solar, lo que permite distinguirlos claramente.
El número exacto de estos satélites sobre nosotros dependerá de nuestra posición en la Tierra y la altura e inclinación orbital de los satélites (además de su diseño, claro). Solo los polos se librarán de este problema, por lo menos parcialmente. Esta es una diferencia fundamental de las megaconstelaciones con otros problemas que afectan a la astronomía como son la contaminación lumínica o el tráfico aéreo (en este último caso, vale la pena recordar que los aviones no pueden sobrevolar los observatorios profesionales).
Tampoco se ha modelado el efecto de los reflejos puntuales provocados por algunas superficies del satélite, como paneles solares o elementos brillantes.
El principal impacto tiene que ver con la astronomía. Según el objeto a estudiar, los astrónomos pueden necesitar mucho tiempo para obtener una imagen (hasta horas). Cuanto más larga sea la exposición, más probabilidades hay de que cruce algún satélite el campo de visión.
Aunque el satélite no se vea a simple vista, será perfectamente visible para un telescopio profesional o amateur. El paso de un único satélite por el campo de visión de un telescopio puede arruinar una imagen o un espectro por completo (o, como mínimo, arruinar su utilidad científica).
Si la astronomía visual se verá afectada, la práctica de la radioastronomía será imposible de facto en varios rangos de frecuencias.
SpaceX ha anunciado en repetidas ocasiones que los satélites Starlink tendrán una vida relativamente corta y que no permitirán que se queden abandonados en el espacio. El inconveniente es que, aparte de tener que confiar en la palabra de una empresa privada que no está obligada por ley a cumplir ninguna de sus promesas, actualmente solo hay unos tres mil satélites en activo y, desde el Sputnik, se han lanzado menos de nueve mil. En cambio, ahora estamos hablando de multiplicar esa cifra por tres o por cinco. Es decir, en la próxima década vamos a poner en órbita baja muchos más satélites de los que se han lanzado en el último medio siglo. Y la gestión de posibles colisiones será un asunto a tener en cuenta nos guste o no, más que nada porque siempre habrá un porcentaje de satélites que fallen y queden sin control. Y no nos olvidemos de que hay que tener en cuenta otras empresas y organizaciones además de SpaceX.
Poner en marcha protocolos y leyes internacionales para que regulen las megaconstelaciones de tal forma que se tengan en cuenta los siguientes puntos:
Centralizar y optimizar la comunicación entre empresas, gobiernos y organismos de tal modo que se pueda gestionar mejor el riesgo de colisión entre satélites.
Limitar el impacto visual de los satélites, imponiendo por ley un brillo máximo en función de la altura de la órbita y obligando, si es necesario, al uso de determinados materiales que reduzcan la firma óptica de los satélites.
Obligar a las empresas o gobiernos responsables a que cada satélite tenga una probabilidad de fallo mínima aceptable (uso de sistemas redundantes) y que la altura de las órbitas sea lo más baja posible (para permitir que reentren en la atmósfera cuanto antes en caso de fallo). Si las órbitas son muy altas, los satélites podrán permanecer décadas en órbita sin control.
Regular fuertemente las frecuencias y el ruido en radio de los satélites para minimizar el impacto en las observaciones radioastronómicas.
Imponer multas y sanciones severas a aquellos actores que no cumplan estas normas.
Que los gobiernos y empresas involucrados destinen parte de los beneficios de las megaconstelaciones a investigar soluciones efectivas y reales para controlar y eliminar la basura espacial.
Pablo Germán Zalazar
Fuentes:
https://danielmarin.naukas.com/2020/01/30/otros-sesenta-satelites-starlink/
https://danielmarin.naukas.com/2020/01/05/que-nos-depara-2020-en-el-espacio/
https://www.fayerwayer.com/2020/01/spacex-informacion-starlink-elon-musk/
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