Un gráfico que ilustra cómo una nave espacial en servicio puede eliminar los desechos de la órbita utilizando fuerzas electrostáticas. Fuente: Laboratorio Schaub
El 10 de febrero de 2009, a cientos de millas sobre la península de Siberia, ocurrió una catástrofe. Esa noche, un satélite ruso desaparecido que orbitaba la Tierra chocó con un satélite de comunicaciones llamado Iridium 33 que viajaba a miles de millas por hora. Ambas naves espaciales explotaron en una lluvia de escombros, enviando más de 1.800 piezas de escombros en espiral alrededor del globo.
Ninguna otra nave espacial (o humanos) resultó dañada, pero para muchos ingenieros aeroespaciales, el evento fue un anticipo de lo que estaba por venir. El espacio parecía estar lleno de gente.
La NASA estima que alrededor de 23,000 piezas de escombros del tamaño de una pelota de softball o más grandes están girando actualmente en el espacio. Toda esta basura significa que cada año es más probable que ocurra otra colisión, como la que destruyó Iridium 33, solo que esta vez las consecuencias podrían ser mucho peores.
“El problema con los desechos espaciales es que crean aún más después de una colisión”, dijo Julian Hammerl, estudiante de doctorado en ingeniería aeronáutica en CU Boulder. “Existe una mayor probabilidad de causar otra colisión que creará aún más escombros. Hay un efecto cascada”.
Hammerl y un equipo dirigido por el profesor Hanspeter Schaub tienen un plan para detener el inicio de estos rápidos. Los científicos están aprovechando uno de los tropos más antiguos de la ciencia ficción: rayos tractores como los que usa Starship Enterprise para despejar asteroides de manera segura.
Imagínese esto: en un futuro no muy lejano, una flota de pequeñas naves espaciales podría dar la vuelta a la Tierra y encontrar piezas muertas de metal en una órbita geosincrónica alrededor del planeta. Luego, utilizando dispositivos llamados “rayos de electrones”, estos camiones de basura espaciales transportarían lentamente esa basura a un lugar seguro sin tener que tocarla, todo utilizando el mismo tipo de física que hace que los calcetines se peguen a los pantalones en la secadora.
“Creamos una fuerza electrostática atractiva o repulsiva”, dijo Schaub, presidente del Departamento de Ingeniería Aeroespacial de Ann y HJ Smead. “Es similar al rayo de atracción que ves en Star Trek, aunque no es tan poderoso”.
Primero, Schaub y sus colegas tienen que resolver una serie de desafíos que describieron en numerosos estudios recientes. Por ejemplo, los científicos están utilizando un nuevo objeto para recrear el entorno sorprendentemente complejo alrededor de la Tierra. También se preguntan cómo los haces de tracción podrían eliminar algún día los escombros de la región del espacio entre la Tierra y la Luna.
“Tocar objetos en el espacio es muy peligroso. Los objetos se mueven muy rápido y, a menudo, de manera impredecible”, dijo Kaylee Champion, estudiante de doctorado que trabaja con Schaub. “Esto podría abrir muchas vías más seguras para dar servicio a las naves espaciales”.
Colocar en una lata
Champion y sus colegas ahora están explorando estas posibilidades desde un laboratorio con vista a Flatirons en el campus este de la universidad.
Un puñado de estudiantes se apiña alrededor de un cilindro del tamaño de un barril de whisky. Está hecho de una gruesa capa de acero inoxidable con varias ventanas en forma de ojo de buey para mirar dentro. Esta cámara de vacío, llamada Laboratorio de carga electrostática para interacciones entre plasma y naves espaciales (ECLIPS), ahora está abierta en la base. Pero con el zumbido del motor, el cilindro baja lentamente hasta que se bloquea.
Pronto la bomba comenzará a despresurizar la cámara. En un día más o menos, no quedaría aire dentro, un pequeño espacio en medio de Boulder. Schaub y su equipo diseñaron la cámara ellos mismos y es diferente a cualquier otra instalación de investigación en el país.
Esta miniatura en miniatura es fundamental para los experimentos del grupo con tractores electrostáticos. En el interior, el grupo puede recrear el entorno alrededor de la Tierra, que no está vacío sino inundado con un gas delgado de electrones libres y átomos cargados llamado plasma. El grupo puede incluso simular escombros en esta cámara con cubos o formas más complejas hechas de metal.
Hoy en día, los científicos están tratando de emular las condiciones de lo que Schaub llamó “una propiedad inmobiliaria cara” en el espacio.
La órbita geosíncrona de la Tierra, o “GEO”, comienza a unas 22,000 millas de la superficie del planeta, lejos de la órbita terrestre baja, o “LEO”, donde Iridium 33 llegó a su fin. Allí puede encontrar algunos de los satélites más caros jamás construidos: naves espaciales militares y de telecomunicaciones que alcanzan el tamaño de autobuses escolares y pesan más de una tonelada.
“GEO es como Bel Air en el espacio”, dijo Schaub.
También se llena. Los ingenieros estiman que hay alrededor de 180 posibles áreas de preparación en órbita geosincrónica en las que los satélites pueden meterse. Todos han sido tomados o ya están tomados.
Los rayos de tracción, dijo Schaub, pueden ser capaces de mover con seguridad las viejas naves espaciales fuera del camino, dando paso a la próxima generación de satélites.
lazos virtuales
Para Hammerl, el proyecto de investigación es un proyecto que no podría haber soñado cuando era un joven estudiante en su ciudad natal de Viena, Austria. Hammerl estudió ingeniería mecánica como estudiante universitario, pero se mudó a Boulder para realizar estudios de posgrado y seguir su pasión por la exploración espacial. (Austria no tiene su propio programa espacial).
Cuando llegó, no tenía idea de lo complicado que podía ser este espacio aparentemente vacío.
Explicó que, en un sentido simple, el concepto de “tractor electrostático” de la banda es un poco como frotarse la cabeza con un globo para poner los pelos de punta. Primero, la nave de servicio se acercaría al satélite abandonado desde unos 15 a 25 metros (49 a 89 pies) y luego lo golpearía con un haz de electrones. Estos electrones le darían a la basura espacial una carga negativa mientras que el militar sería más positivo.
Como dice el dicho, los opuestos se atraen.
“Con esta fuerza de tracción, básicamente puedes sacar los escombros sin tocarlos”, dijo Hammerl. “Funciona como lo que llamamos atadura virtual”.
Parece funcionar también. Basándose en experimentos en ECLIPS y modelos informáticos, los investigadores calcularon que un remolcador electrostático podría transportar un satélite de varias toneladas unas 200 millas en dos o tres meses. Es de ritmo lento, pero lo suficientemente bueno como para eliminar lo que son esencialmente pisapapeles glorificados de las preciosas ranuras orbitales.
Los científicos han propuesto otras estrategias para eliminar los desechos de la órbita, como agarrar satélites recalcitrantes con arpones. Pero todos estos enfoques implican el contacto directo con la basura.
En la práctica, sin embargo, el uso de un rayo tractor en el espacio está plagado de complicaciones.
Primero, los satélites dados de baja generalmente no se quedan quietos e incluso pueden caer salvajemente en el espacio. En su investigación, Schaub y sus estudiantes demostraron que golpear estas piezas de metal con un pulso rítmico de electrones, en lugar de un haz constante, podría ralentizar potencialmente su rotación, lo que permitiría que los satélites se rompan o incluso se acerquen de manera segura. para hacer reparaciones.
Lejos de casa
El equipo también comenzó a pensar en una región del espacio que actualmente tiene pocos fragmentos de escombros pero que pronto estará mucho más ocupada: el espacio “cislunar”, o la zona entre la Tierra y su Luna. Las condiciones aquí pueden ser realmente salvajes.
Champion explicó que el sol expulsa una corriente casi constante de plasma llamada viento solar. Fuera del campo magnético protector de la Tierra, este entorno de plasma puede volverse impredecible. Los vehículos que se deslizan pueden interrumpir el flujo de plasma y generar un rastro de iones detrás de ellos, casi como un velero deslizándose por el agua. Estas estelas pueden a su vez afectar la eficiencia del tractor electrostático.
“Es por eso que esta tecnología es tan exigente”, dijo Champion. “Tienes entornos de plasma completamente diferentes en la órbita terrestre baja que en la órbita geosincrónica y alrededor de la luna. Tienes que lidiar con ello.”
Para hacer esto, Champion y sus colegas de laboratorio mejoraron ECLIPS con un “cañón de iones”, un dispositivo que puede crear corrientes rápidas de iones de argón dentro de la cámara.
Ella espera que algún día su trabajo ayude a los esfuerzos del programa Artemis de la NASA para enviar personas de regreso a la luna y desde allí aún más lejos.
“Cuando enviemos gente a la luna nuevamente, será un trampolín para el viaje a Marte”, dijo Champion.
Schaub señaló que los rayos de los tractores espaciales pueden no ser tema de ciencia ficción por mucho tiempo. Él predice que con la financiación adecuada, su equipo estaría listo para lanzar un prototipo de tractor electrostático al espacio en solo 5 a 10 años.
“Lo emocionante de esta tecnología es que el mismo barco de servicio puede transportar dos, tres o incluso docenas de objetos durante su vida útil. Esto reduce significativamente los costos”, dijo Schaub. “Nadie quiere gastar miles de millones de dólares en la recolección de basura”.
Proporcionado por la Universidad de Colorado en Boulder