Introducción

Esquema de la posición de los principales fragmentos de basura espacial alrededor de nuestro planeta. Imagen tomada de ESA .

Actualmente se conoce la existencia de más de 8.000 objetos en órbita con diámetros superiores a 10 cm. Esta población de residuos espaciales crece a un ritmo de unos 175 objetos por año como resultado de los 120 lanzamientos anuales. Una sexta parte de los objetos en órbita son fases de cohetes, una quinta parte la constituyen aparatos o satélites no operativos, un 12 % son piezas de maquinaria liberadas durante operaciones y un 40 % de los objetos son fragmentos de los más de 160 satélites y fases de cohetes que han sido destruidos en órbita, ya sea voluntariamente (un 30 % de los casos) o de forma accidental. Sólo un 6 % de los objetos son satélites operativos. Aparte hay una población estimada de más de 100.000 fragmentos con un diámetro de 1 a 10 cm y decenas de millones de partículas aún menores, superando de lejos la población de meteoroides naturales cercanos a nuestro planeta.

La mayor parte de la basura espacial se sitúa obviamente en las bandas de altitud más útiles, es decir, en LEO ( Low Earth Orbit , que se extiende hasta una altura de unos 2.000 km sobre la superficie terrestre) y en GEO ( Geostationary Earth Orbit a una altura de 35.788 ± 300 km). En concreto, los picos de densidad se sitúan aproximadamente a 850, 1.000, 1.500, 20.000 (órbita semigeosíncrona ) y 36.000 km de altura. La densidad máxima de objetos en LEO y en GEO es comparable (del orden de un objeto mayor que 10 cm por cada 100 millones de kilómetros cúbicos), pero el flujo es mucho mayor en LEO por la mayor velocidad de los objetos y el menor volumen total de esta región. Las órbitas GTO ( Geostationary Transfer Orbits , con perigeo a 180-500 km y apogeo en GEO), también cuentan con una considerable población de residuos espaciales.

El resto más antiguo aún en órbita es el segundo satélite estadounidense, el Vanguard I, lanzado el 17 de marzo de 1958 y que funcionó sólo durante 6 años.
En 1965, durante el primer paseo espacial de un estadounidense, el astronauta del Géminis 4, Edward White perdió un guante. Durante un mes el guante estuvo en órbita a una velocidad de 28.000 km / h, convirtiéndose en la prenda de vestir más peligrosa de la historia.
Más de 200 objetos, la mayoría bolsas de basura, salieron a la deriva de la estación espacial Mir durante sus primeros 10 años de vida.
La mayor cantidad de basura espacial creada por la destrucción de una sola nava se debió a la etapa superior de un cohete Pegasus lanzado en 1994. Su explosión en 1996 creó una nube de unos 300.000 fragmentos de más de 4 mm, 700 de los cuales eran lo suficientemente grandes como para ser catalogados. Esta explosión, por si sola, duplicó el riesgo de colisión del Telescopio Espacial Hubble

Riesgo y probabilidad de colisión

En promedio, la velocidad relativa entre objetos situados en LEO es de 10 km/s (una bala de fusil va a unos 800 m/s), de forma que un objeto de 80 gramos tiene una energía cinética equivalente a la explosión de 1 kg de TNT, suficiente para destruir completamente un satélite de 500 kg en caso de colisión. Incluso un objeto de 1 cm de diámetro podría causar daños considerables a un satélite si chocara con él.

Dada la actual población de objetos en órbita, la probabilidad de una colisión no es despreciable. Sin embargo, para estar seguro de que una explosión o avería se ha debido a un impacto con un fragmento de basura espacial hay que ser capaz de descartar completamente que se haya producido por un fallo mecánico del propio satélite, y eso es muy difícil. No obstante, se está razonablemente seguro de que la destrucción del Kosmos 1275 en 1981 fue debida a una colisión y se sabe con certeza que el cambio de órbita del minisatélite militar francés CERISE, en julio de 1996, se debió al choque con un fragmento fuera de control de un cohete Ariane que había estallado 10 años antes y que chocó con el brazo de control de altitud de CERISE a casi 15 km por segundo. Por otra parte, de las más de 160 explosiones o fragmentaciones ocurridas en órbita, más de 25 se debieron a motivos todavía no explicados, y una parte de éstas podrían muy bien haber sido causadas por colisiones con basura espacial.

Se calcula que la probabilidad de que dos objetos de más de 10 cm de diámetro choquen en la banda de 800 a 1000 km de altura es de 1/100 por año, de forma que hay una probabilidad de más del 50 % de que haya una colisión de estas características en los próximos 10 ó 15 años. La probabilidad de que el choque con un objeto de 1 a 10 cm de diámetro haya causado alguna de las destrucciones de satélites que han tenido lugar en esta banda es del 40-70 %.

Además, el elevado flujo de objetos en LEO puede dar lugar a efectos de cascada si el ritmo de creación de fragmentos por colisiones es mayor que el de reentrada en la atmósfera terrestre. La densidad crítica para que este efecto se desencadene parece haberse alcanzado ya en ciertas bandas de altitud (alrededor de los 900 km y de los 1500 km de altura) y, si el ritmo de crecimiento del número de objetos no cambia, este fenómeno se generalizará dentro de 10 ó 15 años, cuando la densidad de objetos en LEO sea el doble de la actual, con lo que tendría lugar un crecimiento exponencial en el número de fragmentos.

Los impactos con fragmentos metálicos de diámetros inferiores al milímetro son frecuentes, como lo atestiguan los más de 700 desperfectos en forma de cráter de tamaño superior a 1.2 mm observados en los 20 metros cuadrados de paneles solares del Telescopio Espacial Hubble . Y es que la probabilidad de impacto con un objeto de 0.1 mm contra una superficie de 100 metros cuadrados en una órbita a 400 km de altura (como la de la futura Estación Espacial Internacional -ISS o International Space Station - ) es de 1 cada 10 días, aunque afortunadamente las colisiones de este tipo no suelen tener consecuencias fatales.

Algunos de los experimentos encaminados a conocer más detalladamente el problema de la basura espacial han consistido en naves que se ponen en órbita para que deliberadamente reciban el impacto de los fragmentos, antes de ser recuperadas y estudiadas en tierra. El más conocido de estos experimentos fue la Instalación Expuesta de Larga Duración (LDEF o Long Duration Exposure Facility ) , que desde 1984 a 1990 fue golpeada por decenas de miles de pequeños fragmentos de basura espacial.

También es posible que dos satélites operativos choquen en el anillo geoestacionario, pues el alto nivel de ocupación de esta órbita hace necesario que se tengan que colocar varios satélites activos en la misma ventana en longitud (que típicamente es de sólo 0.2 grados). Por ejemplo, dado un grupo de 4 satélites, situados en una única ventana en longitud, la probabilidad de que dos de ellos se acerquen a una distancia inferior a 50 m es del 60 % anual (suponiendo que estén controlados por centros diferentes, aunque normalmente estarán controlados desde el mismo centro y por tanto el riesgo será menor). Globalmente, la probabilidad de colisión entre dos de los 700 objetos con un tamaño superior a 1 m que se encuentran en la órbita geoestacionaria es de 1/500 por año.

Un ejemplo claro del problema es que se calcula que los nuevos grupos de varias decenas o incluso centenares de satélites de telecomunicaciones idénticos (también conocidos como constelaciones ), que serán colocados entre 1.500 y 2.000 km de altitud, sufrirán en promedio un problema al año por culpa de impactos con fragmentos de basura espacial. Además, se estima que el riesgo de colisión en órbitas bajas debido a estas constelaciones de satélites se multiplicará por 10 en los próximos 50 años.

Blindajes y maniobras

Debido al riesgo de colisión con fragmentos de basura espacial, es necesario acorazar los vehículos espaciales ante la posibilidad de que sufran impactos por parte de fragmentos incontrolados. El satélite canadiense Radarsat, lanzado en noviembre de 1995, fue el primero en incorporar blindajes contra posibles impactos. El acorazamiento es especialmente importante cuando se trata de vehículos tripulados que permanecen largo tiempo en el espacio. Dos ejemplos en este sentido son la estación espacial MIR o la futura Estación Espacial Internacional , que va a permanecer 10 años en órbita.

La necesidad de reducir los riesgos al mínimo es evidente, de forma que las numerosas fases de diseño de vehículos como la Estación Espacial Internacional incorporan un exhaustivo estudio de acorazamiento. Cada parte de la nave tiene que analizarse por separado, dependiendo de si está más o menos expuesta a colisiones, de su importancia (óbviamente el módulo ocupado por los astronautas debe estar más protegido que los paneles solares, por ejemplo), del material con el que haya sido construida, etc. Con este fin se realizan tanto experimentos de laboratorio como simulaciones por ordenador, y se construyen blindajes utilizando los últimos materiales producidos por la industria, y en ocasiones inventando nuevos materiales que eventualmente pueden tener una aplicación directa para la sociedad en usos más cotidianos. Estos blindajes no sólo limitan los daños producidos por colisiones, sino que también reducen la cantidad de chatarra generada en los choques. El objetivo final es cumplir con el requerimiento acordado para la Estación Espacial Internacional de que el riesgo sea menor que una penetración en más de 800 años. Desgraciadamente estos blindajes son pesados y complejos, y por tanto muy caros.

Además de incorporar blindajes, muchas naves se ven en ocasiones obligadas a efectuar maniobras para evitar chocar con fragmentos de basura espacial a la deriva. Aún así, por término medio, una de cada ocho de las ventanas del transbordador espacial debe reemplazarse después de cada misión por culpa de los microimpactos. De esta forma, desde que empezó a operar, han tenido que cambiarse más de 60 ventanillas, a casi 7.000.000 de pts la unidad. Sin embargo, no todas las naves y satélites pueden maniobrar. Por ejemplo, los tres cosmonautas que el 15 de septiembre de 1997 estaban en la MIR, tuvieron que refugiarse en el vehículo de seguridad Soyuz a la espera del paso anunciado de un satélite norteamericano por las inmediaciones de la estación espacial.

El mayor problema se encuentra en los fragmentos de tamaño comprendido entre 1 y 10 cm de diámetro. Por debajo de 1 cm es necesario (y no prohibitivamente caro) acorazar los satélites, tanto por el gran número de fragmentos metálicos de este tipo en órbita, como por la dificultad de detectarlos y porque un impacto con uno de ellos podría ser peligroso. Por otro lado, hay relativamente pocos objetos mayores que 10 cm y son comparativamente fáciles de detectar, con lo que se pueden determinar sus órbitas y hacer maniobrar los satélites para evitar colisiones. Pero los objetos de entre 1 y 10 cm son demasiado numerosos como para no tenerlos en cuenta, demasiado grandes como para acorazar las naves contra ellos, demasiado pequeños como para ser detectados con antelación y, por supuesto, extremadamente peligrosos en caso de impacto.

La atmósfera como método de limpieza natural

Hoy en día, la única forma efectiva de que disminuya la población de objetos en órbita es el frenado por fricción con la atmósfera terrestre, que provoca que algunos fragmentos abandonen su órbita e inicien un movimiento de caída en espiral hacia la superficie de nuestro planeta. Afortunadamente, la inmensa mayoría de los fragmentos de basura espacial que abandonan su órbita se calientan tanto por la fricción con la atmósfera que se evaporan completamente antes de llegar a la superficie. Sin embargo, este mecanismo es poco eficiente para alturas mayores que unos 1000 km, debido a la baja densidad de la atmósfera por encima de este nivel, donde los objetos pueden permanecer en órbita desde varias décadas hasta millones de años.

El estado de nuestra atmosfera no es siempre el mismo, sino que varía siguiendo el ciclo de 11 años de actividad solar. El número de manchas solares (zonas más oscuras o más brillantes de lo normal) que pueden verse en la superficie solar varía siguiendo un ciclo, de forma que en los mínimos de ese ciclo apenas hay manchas, mientras que en los máximos del ciclo hay decenas de manchas distribuidas por la superficie del Sol. Entre dos mínimos o dos máximos consecutivos hay un espacio de 11 años.

Durante los máximos de actividad solar, el flujo de radiación de nuestra estrella es ligeramente superior al habitual, lo que produce una expansión de la atmósfera terrestre. Este fenómeno causa que la basura espacial sufra una mayor fricción con la atmósfera, y por tanto se vea más frenada, con lo que cada 11 años se observa un descenso del orden del 10 % en el número de fragmentos en órbita. La última vez que tuvo lugar este fenómeno fue entre los años 1989 y 1990, cuando el número de objetos censados pasó de unos 7.300 a unos 6.700. Durante este periodo de máxima actividad solar, un promedio de 3 objetos catalogados fueron deorbitados cada día (el triple del número normal), limpiando el espacio alrededor de nuestro planeta de más de 560 toneladas de metal en un sólo año. Las estaciones espaciales Skylab y Salyut 7 se contaron entre las víctimas de los máximos de actividad solar de 1979-80 y 1989-90, respectivamente.

Estas reentradas en la atmósfera, coincidan o no con los máximos de actividad solar, conllevan un evidente peligro cuando los objetos son demasiado grandes como para volatilizarse por completo. Podemos volver a citar el ejemplo del Skylab, que entró sin control en la atmósfera en julio de 1979, dispersando unas 20 toneladas de residuos por el Océano Índico y Australia. Otro caso destacable tuvo lugar en marzo de 1997, cuando un depósito de cohete Delta, de 225 kg de peso, se estrelló a 50 metros de una granja de Texas. Desde 1958, se conocen 62 casos de fragmentos de basura espacial que han llegado a chocar contra la Tierra.

Aún más preocupantes son los 1.300 kg de material radioactivo en órbita repartidos en unos 50 satélites. Por ejemplo, en 1978, el satélite nuclear soviético Kosmos 954 se estrelló accidentalmente en el norte de Canadá con 30 kg de uranio enriquecido a bordo. Desde 1988 no se han vuelto a enviar al espacio reactores nucleares, pero el problema no ha desaparecido.

Conocer con la precisión suficiente el momento y lugar en que va a caer un fragmento de basura espacial es, hoy por hoy, imposible. Aunque se vigile su trayectoria, diez días antes del impacto contra la Tierra sólo se consigue una precisión de 24 horas. Y un error de 5 minutos en la hora de reentrada se traduce en un error del lugar de impacto de 2.000 km.

Otras soluciones

Las principales naciones involucradas comenzaron hace una década a sumar esfuerzos para reducir al máximo el problema creado por la basura espacial. De momento, las medidas más eficaces consisten en:

Minimizar el número de residuos generados en las misiones espaciales. Hay que tener en cuenta que durante el primer cuarto de siglo de la era espacial no se ponía mucho cuidado en este aspecto y numerosas tuercas, abrazaderas y resortes salían despedidos cuando los satélites se liberaban de los cohetes propulsores. Además, muchas misiones se desprendían de las cubiertas de sensores o de dispositivos de control de altitud, o simplemente dejaban en órbita las etapas superiores de los cohetes. Hoy en día, en cambio, se intenta no producir más basura espacial de la estríctamente necesaria.
Descargar el combustible sobrante y apagar los sistemas eléctricos a bordo de las naves inactivas para prevenir posibles explosiones.
Intentar retirar de su órbita los satélites y fases de cohetes fuera de uso. La idea es que los de órbita baja sean enviados hacia la Tierra, para que se volatilicen por fricción con la atmósfera y que los de órbitas altas sean llevados a "órbitas cementerio" donde no puedan molestar a futuras misiones. El problema de esta medida es que la carga de combustible extra necesario para hacer cambiar la órbita es del orden del 5 al 15 % de la masa del satélite mismo y por tanto implica unos costes muy elevados (el precio de colocar un solo kilo de material en órbita ronda los 3.000.000 de pts, con lo que el coste por el peso del combustible extra necesario para provocar la reentrada de un satélite de 1 tonelada sería de unos 300 millones de pts) o una reducción considerable en la vida útil del satélite.

Existen algunos proyectos específicos encaminados a solucionar el problema, como el Proyecto Orión , que utilizaría rayos láser lanzados desde la Tierra para evaporar parte del material de los fragmentos de basura espacial, lo que los alejaría de su trayectoria, bien para hacer que reentrasen en la atmósfera, bien para enviarlos a órbitas donde no supusieran peligro alguno. Otra posibilidad es la de incluir cables de varios kilómetros de longitud enrollados a bordo de los satélites. La idea consiste en desenrollar estos cables cuando el satélite termine su vida útil y aprovechar la diferencia de potencial que se induce entre sus extremos debido al campo magnético terrestre. Esta diferencia de potencial establece una corriente eléctrica a lo largo del cable, lo cual consume una energía que el satélite sólo puede compensar perdiendo velocidad, con lo que empieza a caer y acaba reentrando en la atmósfera.

El papel de la OGS

Uno de los aspectos en el campo de la basura espacial en el que todavía es necesario un gran esfuerzo es la catalogación y caracterización de la población de objetos en órbita, así como la determinación de sus parámetros orbitales (que deben ser revisados periódicamente ya que están sujetos a numerosas perturbaciones). Estos objetivos se están llevando a cabo tanto con mediciones de radar como con observaciones en el rango óptico, involucrando a unas 50 instalaciones que realizan un promedio de 150.000 observaciones diarias. En LEO el radar es el método más eficaz, pero en GEO y GTO las observaciones con telescopios ópticos pueden detectar objetos mucho menores que el radar. El catálogo de referencia más importante es el que gestiona el USSPACECOM norteamericano.

En este sentido resulta muy prometedora la puesta en marcha de la OGS ( Optical Ground Station ) en el Observatorio del Teide , con un telescopio Zeiss de 1 m de diámetro. Cuando entre en operación, dispondrá de un mosaico de 4 CCDs, cada una de 2048x 2048 píxeles, que cubrirán un campo de 0.7x 0.7 grados. El error de apuntado es menor que 10'' y el seguimiento mejor que 2.5'' por hora. Con este telescopio se realizará en primer lugar un mapa de los objetos situados en el anillo geoestacionario y posteriormente de los que se hallen en órbitas de transferencia geoestacionaria, determinando sus parámetros orbitales.

Las características técnicas de la OGS y la calidad del cielo en el Observatorio del Teide son claramente superiores a las que disfrutan los pocos grupos de trabajo que se dedican a estos temas. Esta situación nos permite suponer que la población de objetos catalogados y nuestro conocimiento sobre el problema que constituye la basura espacial van a crecer espectacularmente cuando la OGS empiece a proporcionar resultados. De hecho, durante las últimas pruebas realizadas en la OGS en septiembre de 1999 se pudieron detectar objetos de hasta unos 25 cm de diámetro en órbita geoestacionaria y se encontraron un 70 % de objetos que aún no habían sido catalogados. Como comparación, los escasos grupos de investigadores que están actualmente trabajando en la búsqueda de basura espacial con telescopios ópticos sólo son capaces de ver los fragmentos de metal que sobrepasan 1 metro de diámetro a esta distancia y el porcentaje de objetos en GEO todavía no catalogados que hallan es únicamente del 20 o 30 %.