La órbita terrestre muy baja es un rango de altitudes orbitales por debajo de los 400 km (250 mi) y tiene una importancia comercial cada vez mayor en una variedad de escenarios y para múltiples aplicaciones, tanto en operaciones satelitales privadas como gubernamentales. Las aplicaciones incluyen observación de la Tierra , radar, infrarrojos, clima, telecomunicaciones y acceso a Internet rural , entre otras.
En 2009, los gobiernos comenzaron a mostrar interés en los satélites VLEO, como el satélite científico de la Agencia Espacial Europea " Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explore " [1] (GOCE), [2] diseñado para tomar mediciones precisas del campo gravitacional de la Tierra. Demostró una órbita sostenida de entre 250 y 300 km (155-186 mi) durante tres años, desde 2009 hasta 2013.
La Agencia Espacial China lanzó la estación espacial Tiangong-1 a órbitas de órbita baja en 2011, a una distancia media de 355 km (220 mi), y la Tiangong-2 en 2016, ambas desorbitadas desde entonces. La Tiangong, lanzada en 2021, opera a una distancia de aproximadamente 350-450 km (217-280 mi).
La Agencia Espacial Japonesa , JAXA, lanzó su Satélite de Prueba de Altitud Super Baja , o SLATS (“Tsubame”), en 2017, cuya órbita disminuyó lentamente desde una altitud inicial de 630 km (391 mi) para operar a siete altitudes diferentes, desde 271 km (168 mi) hasta una altitud final de 167,4 km (104,0 mi).
Las empresas tomaron nota de este creciente interés en VLEO. En 2016, Skeyeon presentó la primera patente de satélite VLEO que describe el funcionamiento de un satélite comercial en órbitas de entre 100 y 350 km (62-218 mi), con planes de poner satélites en órbita VLEO. [ cita requerida ] Empresas como Albedo, EOI Space, Thales Alenia Space y otras anunciaron sus planes en fechas posteriores. [3]
En junio de 2021 se celebró el “1er Simposio Internacional sobre Misiones y Tecnologías VLEO”, [4] con casi 200 asistentes registrados de la industria, la academia, las agencias espaciales y el gobierno. En abril de 2022, DARPA emitió una propuesta para estudiar VLEO para transmisiones HF , [5] y en diciembre de 2022 se mencionan los beneficios de VLEO como una posibilidad para la futura tecnología de comunicación 6G, utilizando una constelación de pequeños satélites en VLEO. [6]
El proyecto 200 de Bellatrix Aerospace tiene como objetivo construir un satélite de órbita ultrabaja que orbitará a una altura de menos de 200 kilómetros. Para 2026, espera lanzar su primer satélite. [7] [8]
Los beneficios de los satélites que operan en VLEO son múltiples, [9] incluyendo: un rendimiento satelital inherentemente mayor; costos de lanzamiento y operación sustancialmente menores; cargas útiles de comunicación con presupuestos de enlace significativamente mejores; y la creación de órbitas autolimpiantes, resolviendo esencialmente el importante problema de los desechos espaciales .
Se define aproximadamente como una medida de todas las ganancias y pérdidas de potencia en un sistema de comunicación. [10] Con los satélites, el proceso de transmisión desde la Tierra al satélite se conoce como enlace ascendente, y desde el satélite a la Tierra como enlace descendente. La diferencia entre la potencia enviada en un extremo y la recibida en el otro extremo se conoce como pérdida de transmisión. Dado que la densidad de potencia de las ondas de radio disminuye con el cuadrado de la distancia entre el transmisor y el receptor, principalmente debido a la propagación de la energía electromagnética en el espacio de acuerdo con la ley del cuadrado inverso , cuanto más cerca esté el satélite de la Tierra, menos potencia se requiere para obtener una señal para la Tierra o el satélite, y mejor es el presupuesto de enlace. Este presupuesto de enlace mejorado se puede utilizar para una potencia menor a la misma velocidad de datos, una velocidad de datos mayor a la misma potencia o una combinación de ambas. Los transmisores más pequeños y/o más potentes pueden estar basados en tierra, en satélites o en ambos.
Si las órbitas VLEO son lo suficientemente bajas, se autolimpian, lo que resuelve el importante problema de los desechos espaciales . Debido a que tanto la atracción gravitatoria como la resistencia atmosférica son mayores en las órbitas VLEO que en las más altas, los vehículos en órbitas VLEO permanecerán allí hasta que se agote su propulsión o se les vuelva a suministrar combustible. Una vez que termina la propulsión, los vehículos más pequeños se quemarán al reingresar, mientras que los más grandes se quemarán y/o se desintegrarán, lo que podría crear peligros para la Tierra y los habitantes que se encuentran debajo. [11] [12]
Existen varios desafíos para mantener los satélites en funcionamiento en VLEO, que no existen en las órbitas más altas. Las órbitas por debajo de los 450 km (280 mi) requieren el uso de tecnologías novedosas para el funcionamiento de los satélites, como ráfagas frecuentes de propulsión o incluso propulsión continua (por ejemplo, GOCE), para contrarrestar la resistencia atmosférica y las fuerzas gravitacionales más elevadas. [13]
El consumo de combustible aumenta exponencialmente cuanto más cerca de la Tierra se encuentra la órbita. La Estación Espacial Internacional (ISS) orbitaba originalmente a una media de 350 km (217 mi) de la Tierra, pero fue impulsada a una media de 400 km (248 mi) en 2011. [14] Esto permitió que la ISS pasara de un consumo medio de combustible de 8.600 kg al año a 3.600 kg al año. Mover la ISS una media de 50 km (21 mi) más arriba, de 350 a 400 km, resultó en la reducción del consumo anual de combustible en un 58%. [ cita requerida ] La ISS ahora requiere re-impulso solo unas pocas veces al año debido a la desintegración orbital. [ cita requerida ]
En VLEO existe una atmósfera residual que crea una resistencia significativa a los satélites que planean mantener la órbita. A diferencia de la ISS en el límite de las órbitas VLEO/LEO que se reabastece con combustible para contrarrestar la gravedad y la resistencia, una vez que la mayoría de las naves espaciales LEO y GEO más grandes alcanzan la órbita, requieren poca o ninguna propulsión para mantener la órbita. Los satélites más pequeños, como los micro y nano satélites, no están diseñados para el reabastecimiento de combustible, y deben llevar su propio combustible o desarrollarlo a partir de los recursos disponibles. Con este fin, varias empresas y gobiernos están desarrollando motores que utilizan diferentes conceptos de propulsión en VLEO. Las empresas NewOrbit Space y Kreios Space están desarrollando sistemas de propulsión con respiración de aire para satélites VLEO, [15] [16] . En particular, NewOrbit Space pudo operar y neutralizar un motor de iones completamente con aire en una cámara de vacío, una primicia en la industria. Los resultados iniciales de la empresa muestran un impulso específico de 6380 segundos, acelerando el aire entrante a más de 200.000 km/h. Esto significa que el sistema de propulsión eléctrica que respira aire puede producir suficiente empuje para contrarrestar la resistencia en la atmósfera superior, lo que permite que la nave espacial funcione de manera sostenible en VLEO por debajo de los 200 km. [17] Skeyeon tiene una patente sobre un sistema de propulsión que utiliza un motor iónico autosostenible. [18] La resistencia de la atmósfera residual también requiere un diseño aerodinámico mejorado de la nave espacial. Los diseños actuales de un gran objeto cuadrado en órbita con enormes paneles solares adjuntos, características de muchas naves espaciales orbitales de mayor altitud, no funcionarán en VLEO.
Además, los satélites en órbitas VLEO están expuestos a niveles muy altos de oxígeno elemental, [19] también conocido como oxígeno atómico (AO), una forma altamente reactiva de oxígeno que corroe la mayoría de las sustancias rápidamente. [20] Esto requiere el uso de recubrimientos especiales para proteger los objetos y equipos en esta órbita. En la órbita VLEO, se estima que hasta el 96% de la atmósfera es AO. [21] En altitudes VLEO, la cantidad total de átomos de O aumenta exponencialmente cuanto menor es la altitud, y es órdenes de magnitud mayor que la que encuentra la ISS a 400 km de altitud. Cualquier vehículo que pase más de un mes en una órbita VLEO requerirá recubrimientos y protección especiales, o se corroerá rápidamente. Se han desarrollado materiales [22] para el uso en órbitas VLEO que brindan simultáneamente dos beneficios clave: protección contra daños por AO y una superficie exterior atómicamente lisa que dispersa los átomos de AO elásticamente, lo que resulta en la mitad del arrastre de los materiales tradicionales que promueven la dispersión difusa del oxígeno incidente y otros átomos. Estos materiales pueden prolongar la vida útil de un satélite VLEO al reducir la corrosión y la resistencia.
Debido a los planes de varias empresas de crear grandes constelaciones de satélites, algunas con más de 10.000 satélites, [23] el 29 de septiembre de 2022, la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) adoptó una nueva norma. Los nuevos satélites colocados en órbita deben desorbitarse o colocarse en una órbita cementerio cinco años después de la vida útil de la misión, lo que se reduce de los 25 años que se aceptaban anteriormente. Esto se aplica a los satélites con licencia estadounidense, así como a los de otros países que buscan acceder al mercado estadounidense. [24] Los propietarios de satélites ahora deben presentar planes de desorbitación junto con sus propuestas de lanzamiento, para ayudar a eliminar basura espacial adicional. Lo más probable es que esto incluya reservar propulsor para iniciar la desorbitación, aumentar los costos de lanzamiento para transportar más combustible o disminuir la vida útil de la misión.
Los satélites en órbitas VLEO también requerirán planes de desorbitación cuando se complete una misión. Sin embargo, debido a que la resistencia atmosférica en órbitas VLEO es órdenes de magnitud mayor, el sistema de control de actitud de los satélites que normalmente asegura que se mantengan las direcciones de balanceo, cabeceo y guiñada del vehículo puede recibir instrucciones para rotar el satélite hasta su área de superficie más alta orientada hacia adelante. Un diseño de vehículo más pequeño, con una orientación de baja resistencia durante la operación y una orientación de alta resistencia después de completar la misión, puede ser potencialmente una opción óptima para órbitas VLEO y aprovechar las propiedades de autolimpieza inherentes de la resistencia atmosférica al reingresar.