El síndrome de Kessler (también llamado efecto Kessler , [1] [2] colisión en cascada o cascada de ablación ), propuesto por los científicos de la NASA Donald J. Kessler y Burton G. Cour-Palais en 1978, es un escenario en el que la densidad de objetos en órbita terrestre baja (LEO) debido a la contaminación espacial es lo suficientemente numerosa como para que las colisiones entre objetos puedan causar una cascada en la que cada colisión genere desechos espaciales que aumenten la probabilidad de colisiones futuras. [3] En 2009, Kessler escribió que los resultados del modelado habían concluido que el entorno de desechos ya era inestable, "de modo que cualquier intento de lograr un entorno de desechos pequeños sin crecimiento eliminando fuentes de desechos pasados probablemente fracasará porque los fragmentos de futuras colisiones se generarán más rápido de lo que la resistencia atmosférica los eliminará". [4] Una implicación es que la distribución de desechos en órbita podría dificultar las actividades espaciales y el uso de satélites en rangos orbitales específicos para muchas generaciones. [3]
En 1960, Willy Ley predijo que «con el tiempo, se acumularán en el espacio una serie de disparos accidentales y fortuitos que tendrán que ser eliminados cuando llegue la era de los vuelos espaciales tripulados». [5] Después del lanzamiento del Sputnik 1 en 1957, el Mando de Defensa Aeroespacial de América del Norte (NORAD) comenzó a compilar una base de datos (el Catálogo de Objetos Espaciales ) de todos los lanzamientos de cohetes conocidos y los objetos que llegan a la órbita: satélites, escudos protectores y cohetes de refuerzo de etapa superior e inferior. La NASA publicó más tarde [ ¿cuándo? ] versiones modificadas de la base de datos en un conjunto de elementos de dos líneas , [6] y durante principios de la década de 1980, el sistema de tablón de anuncios CelesTrak las volvió a publicar. [7]
Los rastreadores que alimentaban la base de datos sabían de la existencia de otros objetos en órbita, muchos de los cuales eran el resultado de explosiones en órbita. [8] Algunas fueron causadas deliberadamente durante las pruebas de armas antisatélite (ASAT) de la década de 1960, y otras fueron el resultado de la explosión de etapas de cohetes en órbita cuando el combustible sobrante se expandió y rompió sus tanques. Para mejorar el seguimiento, John Gabbard, empleado de NORAD, mantuvo una base de datos separada. Al estudiar las explosiones, Gabbard desarrolló una técnica para predecir las trayectorias orbitales de sus productos, y los diagramas (o gráficos) de Gabbard se utilizan ampliamente en la actualidad. Estos estudios se utilizaron para mejorar el modelado de la evolución y decaimiento orbital. [9]
Cuando la base de datos NORAD se hizo pública durante la década de 1970, el científico de la NASA Donald J. Kessler aplicó la técnica desarrollada para el estudio del cinturón de asteroides a la base de datos de objetos conocidos. En junio de 1978, Kessler y Burton Cour-Palais escribieron conjuntamente "Collision Frequency of Artificial Satellites: The Creation of a Debris Belt" [3] , demostrando que el proceso que controla la evolución de los asteroides provocaría un proceso de colisión similar en órbita terrestre baja en décadas en lugar de miles de millones de años. Llegaron a la conclusión de que, hacia el año 2000, los desechos espaciales superarían a los micrometeoroides como el principal riesgo ablativo para las naves espaciales en órbita. [4]
En ese momento, se pensaba ampliamente que la resistencia de la atmósfera superior haría que los desechos salieran de órbita más rápido de lo que se creaban. [ cita requerida ] Sin embargo, Gabbard era consciente de que la cantidad y el tipo de objetos en el espacio estaban subrepresentados en los datos de NORAD y estaba familiarizada con su comportamiento. En una entrevista poco después de la publicación del artículo de 1978, Gabbard acuñó el término síndrome de Kessler para referirse a la acumulación de desechos; [4] se volvió ampliamente utilizado después de su aparición en un artículo de Popular Science de 1982 , [10] que ganó el Premio Nacional de Periodismo de la Asociación de Escritores de Aviación y Espacio de 1982. [ 4]
La falta de datos concretos sobre los desechos espaciales dio lugar a una serie de estudios para caracterizar mejor el entorno de la LEO. En octubre de 1979, la NASA proporcionó a Kessler financiación para realizar más estudios. [4] En estos estudios se utilizaron varios enfoques.
Se utilizaron telescopios ópticos y radares de longitud de onda corta para medir la cantidad y el tamaño de los objetos espaciales, y estas mediciones demostraron que el recuento de población publicado era al menos un 50% demasiado bajo. [11] Antes de esto, se creía que la base de datos de NORAD daba cuenta de la mayoría de los objetos grandes en órbita. Se descubrió que algunos objetos (normalmente, naves espaciales militares estadounidenses) se omitieron de la lista de NORAD, y otros no se incluyeron porque se los consideró poco importantes. La lista no podía dar cuenta fácilmente de objetos de menos de 20 cm (8 pulgadas) de tamaño, en particular, escombros de etapas de cohetes que explotaron y varias pruebas antisatélites de la década de 1960. [4]
Las naves espaciales que regresaron fueron examinadas microscópicamente para detectar pequeños impactos, y se encontró que las secciones del Skylab y del módulo de mando y servicio Apollo que se recuperaron estaban picadas. Cada estudio indicó que el flujo de escombros era mayor de lo esperado y que los escombros eran la fuente principal de colisiones de micrometeoroides y escombros orbitales en el espacio. La LEO ya demostró el síndrome de Kessler. [4]
En 1978, Kessler descubrió que el 42 por ciento de los desechos catalogados eran el resultado de 19 eventos, principalmente explosiones de etapas de cohetes gastadas (especialmente cohetes Delta estadounidenses ). [12] Descubrió esto al identificar primero aquellos lanzamientos que se describían como que tenían una gran cantidad de objetos asociados con una carga útil, luego investigando la literatura para determinar los cohetes utilizados en el lanzamiento. En 1979, este hallazgo resultó en el establecimiento del Programa de Desechos Orbitales de la NASA después de una sesión informativa para la alta gerencia de la NASA, revirtiendo la creencia previamente sostenida de que la mayoría de los desechos desconocidos provenían de antiguas pruebas ASAT, no de explosiones de cohetes de etapa superior estadounidenses que aparentemente podrían manejarse fácilmente agotando el combustible no utilizado del cohete Delta de etapa superior después de la inyección de carga útil. A partir de 1986, cuando se descubrió que otras agencias internacionales posiblemente estaban experimentando el mismo tipo de problema, la NASA amplió su programa para incluir agencias internacionales, la primera fue la Agencia Espacial Europea. [13] : 2 Varios otros componentes de Delta en órbita (Delta era un caballo de batalla del programa espacial estadounidense) aún no habían explotado. [ cita requerida ]
Durante la década de 1980, la Fuerza Aérea de los Estados Unidos (USAF) llevó a cabo un programa experimental para determinar qué sucedería si los desechos chocaran con satélites u otros desechos. El estudio demostró que el proceso era diferente de las colisiones con micrometeoroides, ya que se creaban grandes trozos de desechos que se convertían en amenazas de colisión. [4]
En 1991, Kessler publicó "Cascada de colisiones: los límites del crecimiento demográfico en órbita terrestre baja" [14] con los mejores datos disponibles en ese momento. Citando las conclusiones de la USAF sobre la creación de escombros, escribió que, aunque casi todos los objetos de escombros (como las motas de pintura) eran livianos, la mayor parte de su masa estaba en escombros de aproximadamente 1 kg (2 lb 3 oz) o más pesados. Esta masa podría destruir una nave espacial en caso de impacto, creando más escombros en el área de masa crítica. [15] Según la Academia Nacional de Ciencias:
Por ejemplo, un objeto de 1 kg que impacta a 10 km/s probablemente sea capaz de destrozar catastróficamente una nave espacial de 1000 kg si choca con un elemento de alta densidad en la nave espacial. En tal desintegración, se crearían numerosos fragmentos de más de 1 kg. [16]
El análisis de Kessler dividió el problema en tres partes. Con una densidad lo suficientemente baja, la adición de escombros por impactos es más lenta que su tasa de desintegración y el problema no es significativo. Más allá de eso hay una densidad crítica, donde los escombros adicionales conducen a colisiones adicionales. En densidades más allá de esta masa crítica, la producción excede la desintegración, lo que conduce a una reacción en cadena en cascada que reduce la población en órbita a objetos pequeños (de varios centímetros de tamaño) y aumenta el peligro de la actividad espacial. [15] Esta reacción en cadena se conoce como el síndrome de Kessler. [4]
En un análisis histórico de principios de 2009, Kessler resumió la situación:
Las actividades espaciales agresivas sin las salvaguardas adecuadas podrían acortar significativamente el tiempo entre colisiones y producir un peligro intolerable para las naves espaciales futuras. Algunas de las actividades más peligrosas para el medio ambiente en el espacio incluyen grandes constelaciones como las propuestas inicialmente por la Iniciativa de Defensa Estratégica a mediados de los años 1980, grandes estructuras como las consideradas a fines de los años 1970 para construir estaciones de energía solar en órbita terrestre y guerra antisatélite utilizando sistemas probados por la URSS, los Estados Unidos y China durante los últimos 30 años. Esas actividades agresivas podrían crear una situación en la que un solo fallo de satélite podría conducir a fallos en cascada de muchos satélites en un período mucho más corto que años. [4]
En 1985 se utilizó el primer misil antisatélite (ASAT) para destruir un satélite. Se realizó la prueba ASAT estadounidense ASM-135 de 1985 , en la que el satélite Solwind P78-1, que volaba a una altitud de 555 kilómetros (345 millas), fue alcanzado por la carga útil de 14 kilogramos (31 libras) a una velocidad de 24.000 kilómetros por hora (15.000 mph; 6,7 km/s). Cuando la NASA se enteró de los planes de la Fuerza Aérea estadounidense para la prueba ASAT Solwind, modelaron los efectos de la prueba y determinaron que los desechos producidos por la colisión seguirían en órbita hasta bien entrada la década de 1990. Esto obligaría a la NASA a mejorar el blindaje contra desechos de su planeada estación espacial. [17]
El 11 de enero de 2007, China realizó una prueba de misiles antisatélite en la que se eligió como objetivo uno de sus satélites meteorológicos FY-1C . La colisión se produjo a una altitud de 865 kilómetros (537 millas), cuando el satélite, con una masa de 750 kilogramos (1.650 libras), fue golpeado en una colisión frontal por una carga útil cinética que viajaba a una velocidad de 8 km/s (18.000 mph) en la dirección opuesta. Los restos resultantes orbitan la Tierra a una altitud media superior a los 850 kilómetros (530 millas), y probablemente permanecerán en órbita durante décadas o siglos. [18]
La destrucción del satélite Kosmos 1408 por un misil ASAT ruso el 15 de noviembre de 2021 ha creado una gran nube de escombros, con 1500 piezas de escombros rastreadas y un estimado de cientos de miles de piezas demasiado pequeñas para rastrear. Dado que el satélite estaba en una órbita polar y sus escombros se han extendido entre altitudes de 300 y 1000 kilómetros (190 y 620 millas), podría colisionar potencialmente con cualquier satélite LEO, incluida la Estación Espacial Internacional y la Estación Espacial China (Tiangong). [19] [20] [21]
Un evento significativo relacionado con el síndrome de Kessler ocurrió el 9 de agosto de 2024, cuando un cohete chino Long March 6A se rompió en una órbita baja terrestre, creando una nube de cientos de fragmentos de escombros. El Comando Espacial de los Estados Unidos confirmó esta ruptura, y ha sido rastreada por múltiples organizaciones de rastreo de desechos espaciales. El evento resultó en al menos 700 fragmentos, con el potencial de más de 900. Los escombros representan un riesgo sustancial para las constelaciones de órbita baja terrestre, particularmente aquellas que orbitan por debajo de los 800 kilómetros, y pueden permanecer en órbita durante años, lo que aumenta la probabilidad de colisiones. Este incidente resalta las preocupaciones actuales sobre los desechos espaciales y el riesgo creciente de un efecto cascada a medida que se lanzan más objetos a la órbita. [22]
Cada satélite, sonda espacial y misión tripulada tiene el potencial de producir desechos espaciales . El síndrome de Kessler en cascada teórico se vuelve más probable a medida que aumenta el número de satélites en órbita. En 2014, había alrededor de 2000 satélites comerciales y gubernamentales orbitando la Tierra, [23] y en 2021 [actualizar]más de 4000. [24] Se estima que hay 600 000 piezas de basura espacial que varían de 1 a 10 cm ( 1 ⁄ 2 a 4 pulgadas), y 23 000 más grandes que eso. [24] En promedio, cada año, un satélite es destruido por colisión con otros satélites o basura espacial. [23] [25] En 2009 [actualizar], se habían producido cuatro colisiones entre objetos catalogados, incluida una colisión entre dos satélites en 2009. [ 4]
La descomposición orbital es mucho más lenta en altitudes donde la resistencia atmosférica es insignificante. Una ligera resistencia atmosférica , la perturbación lunar y la resistencia del viento solar pueden hacer descender gradualmente los desechos a altitudes más bajas donde los fragmentos finalmente vuelven a entrar, pero este proceso puede llevar milenios a altitudes muy elevadas. [26]
El síndrome de Kessler es problemático debido al efecto dominó y la fuga de información por retroalimentación , en la que los impactos entre objetos de masa considerable desprenden fragmentos debido a la fuerza de la colisión. Los fragmentos pueden entonces golpear otros objetos, produciendo aún más desechos espaciales: si se produjera una colisión o explosión lo suficientemente grande, como entre una estación espacial y un satélite fuera de servicio, o como resultado de acciones hostiles en el espacio, la cascada de desechos resultante podría hacer que las perspectivas de viabilidad a largo plazo de los satélites, en particular en las órbitas bajas terrestres, fueran extremadamente bajas. [27] [28] Sin embargo, incluso un escenario catastrófico de Kessler en LEO plantearía un riesgo mínimo para los lanzamientos que continúen más allá de LEO, o para los satélites que viajen en órbita terrestre media (MEO) o órbita geosincrónica (GEO). Los escenarios catastróficos predicen un aumento en el número de colisiones por año, en contraposición a una barrera físicamente infranqueable para la exploración espacial que se produce en órbitas más altas. [ cita requerida ]
Algunos astrónomos han planteado la hipótesis del síndrome de Kessler como una posible o probable solución a la paradoja de Fermi , la falta de cualquier signo de vida extraterrestre en el universo. Cualquier civilización inteligente que se vuelva espacial podría eventualmente extinguir cualquier órbita segura a través del síndrome de Kessler, atrapándose dentro de su planeta de origen. [29] Tal resultado podría suceder incluso con controles robustos de la contaminación espacial, ya que un actor malicioso solitario en un planeta podría causar un escenario de síndrome de Kessler. [30] La humanidad podría estar en camino a un destino similar, pronto atrapada en la Tierra sin futuro como una civilización espacial. [31] Algunos investigadores de exoplanetas han intentado estudiar otros planetas en busca de signos de una cascada de síndrome de Kessler como señal de vida inteligente. [32]
La UIT [33] exige con frecuencia a los diseñadores de un nuevo vehículo o satélite que demuestren que se puede desechar de forma segura al final de su vida útil, por ejemplo mediante el uso de un sistema de reentrada atmosférica controlada o un impulso a una órbita cementerio . [34] Para los lanzamientos o satélites estadounidenses que habrán transmitido a territorios estadounidenses, con el fin de obtener una licencia para proporcionar servicios de telecomunicaciones en los Estados Unidos, la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) exigió que todos los satélites geoestacionarios lanzados después del 18 de marzo de 2002 se comprometieran a trasladarse a una órbita cementerio al final de su vida operativa. [34] Las regulaciones del gobierno estadounidense también requieren un plan para desechar los satélites después del final de su misión: reentrada atmosférica, [ aclaración necesaria ] movimiento a una órbita de almacenamiento o recuperación directa. [35]
Un método propuesto para desorbitar una nave espacial de MEO de manera eficiente desde el punto de vista energético es trasladarla a una órbita en resonancia inestable con el Sol o la Luna, lo que acelera la descomposición orbital. [36] [37]
Una tecnología propuesta para ayudar a lidiar con fragmentos de entre 1 y 10 cm ( 1 ⁄ 2 a 4 pulgadas) de tamaño es la escoba láser , un láser terrestre de varios megavatios propuesto que podría desorbitar los escombros: el lado de los escombros golpeado por el láser se ablacionaría y crearía un empuje que cambiaría la excentricidad de los restos del fragmento hasta que volviera a entrar y fuera destruido sin causar daño. [38]
La ESA y la startup suiza ClearSpace planean una misión para retirar de la órbita el satélite PROBA-1 . [39]
El satélite Envisat es un satélite grande e inactivo con una masa de 8.211 kg (18.102 lb) que orbita a 785 km (488 mi), una altitud en la que el entorno de desechos es el más grande (se puede esperar que dos objetos catalogados pasen a unos 200 m (660 ft) del Envisat cada año [40] ) y es probable que aumente. Don Kessler predijo en 2012 que podría convertirse fácilmente en un importante contribuyente de desechos a partir de una colisión durante los próximos 150 años que permanecerá en órbita. [40]
El programa Starlink de SpaceX genera inquietudes sobre el empeoramiento significativo de la posibilidad del síndrome de Kessler debido a la gran cantidad de satélites que el programa pretende colocar en LEO, ya que el objetivo del programa será más del doble de los satélites que se encuentran actualmente en LEO. [39] [41] En respuesta a estas inquietudes, SpaceX dijo que una gran parte de los satélites Starlink se lanzan a una altitud menor de 550 km (340 mi) para lograr una latencia menor (en comparación con los 1150 km (710 mi) planificados originalmente), y se espera que los satélites fallidos o los escombros se desorbiten dentro de cinco años incluso sin propulsión, debido al arrastre atmosférico. [42]
En 2024, Jon Kelvey señaló en un artículo de resumen que "la comunidad científica aún no ha llegado a un consenso sobre si el síndrome de Kessler ha comenzado o, si no ha comenzado, qué tan grave será cuando comience. Sin embargo, hay consenso en que el concepto básico es sólido y que la comunidad espacial necesita mejorar su comportamiento". [39]
Con suficientes escombros en órbita, los fragmentos comenzarán a chocar con otros fragmentos, lo que desencadenará una reacción en cadena de destrucción que dejará un halo letal alrededor de la Tierra.
la inyección deliberada en la órbita terrestre baja de grandes cantidades de partículas como medida antisatélite barata pero efectiva.
