El síndrome de Kessler (también llamado efecto Kessler , [1] [2] cascada de colisiones , 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 La cantidad de objetos en órbita terrestre baja (LEO) debido a la contaminación espacial es tan numerosa que las colisiones entre objetos podrían causar una cascada en la que cada colisión genera desechos espaciales que aumentan la probabilidad de futuras colisiones. [3] En 2009, Kessler escribió que los resultados del modelado habían concluido que el ambiente de escombros ya era inestable, "de modo que cualquier intento de lograr un ambiente de escombros pequeños sin crecimiento mediante la eliminación de fuentes de escombros pasados probablemente fracasará porque los fragmentos de colisiones futuras "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 durante muchas generaciones. [3]
Willy Ley predijo en 1960 que "Con el tiempo, varios disparos accidentales y demasiado afortunados se acumularán en el espacio y tendrán que ser eliminados cuando llegue la era de los vuelos espaciales tripulados". [5] Después del lanzamiento del Sputnik 1 en 1957, el Comando 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 objetos que alcanzan la órbita: satélites, escudos protectores y satélites superiores e inferiores. -Cohetes propulsores de etapa. La NASA publicó más tarde [ ¿cuándo? ] modificaron versiones 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 tablero de anuncios CelesTrak las volvió a publicar. [7]
Los rastreadores que alimentaban la base de datos conocían otros objetos en órbita, muchos de los cuales eran el resultado de explosiones en órbita. [8] Algunos fueron causados deliberadamente durante las pruebas de armas antisatélite (ASAT) de la década de 1960, y otros fueron el resultado de etapas de cohetes que explotaron en órbita cuando el propulsor sobrante se expandió y rompió sus tanques. Para mejorar el seguimiento, el empleado de NORAD, John Gabbard, 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 ahora ampliamente. Estos estudios se utilizaron para mejorar el modelado de la evolución y desintegración orbital. [9]
Cuando la base de datos NORAD estuvo disponible públicamente 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 fueron coautores de "Frecuencia de colisión de satélites artificiales: la creación de un cinturón de desechos", [3] demostrando que el proceso que controla la evolución de los asteroides causaría un proceso de colisión similar en LEO 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 principal riesgo ablativo para las naves espaciales en órbita. [4]
En ese momento, se pensaba ampliamente que la resistencia de la atmósfera superior sacaría de órbita los escombros más rápido de lo que fueron creados. [ cita necesaria ] 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 familiarizado 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 escombros; [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 1982 de la Asociación de Escritores de Aviación-Espacio. [4]
La falta de datos concretos sobre los desechos espaciales impulsó una serie de estudios para caracterizar mejor el entorno LEO. En octubre de 1979, la NASA proporcionó a Kessler financiación para realizar más estudios. [4] Estos estudios utilizaron varios enfoques.
Se utilizaron telescopios ópticos y radares de longitud de onda corta para medir el número 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 NORAD representaba la mayoría de los objetos grandes en órbita. Se encontró que algunos objetos (típicamente, naves espaciales militares estadounidenses) se omitieron de la lista de NORAD y otros no se incluyeron porque se consideraron sin importancia. La lista no podía incluir fácilmente objetos de menos de 20 cm (8 pulgadas), en particular, restos de la explosión de etapas de cohetes y varias pruebas antisatélites de la década de 1960. [4]
Las naves espaciales devueltas fueron examinadas microscópicamente en busca de pequeños impactos, y se encontró que las secciones del Skylab y del módulo de comando/servicio Apollo que fueron recuperadas estaban picadas. Cada estudio indicó que el flujo de desechos fue mayor de lo esperado y que los desechos eran la fuente principal de micrometeoroides y colisiones de desechos orbitales en el espacio. LEO ya demostró el síndrome de Kessler. [4]
En 1978, Kessler descubrió que el 42 por ciento de los escombros catalogados eran el resultado de 19 eventos, principalmente explosiones de etapas gastadas de cohetes (especialmente cohetes Delta estadounidenses ). [12] Descubrió esto identificando primero aquellos lanzamientos que se describían con una gran cantidad de objetos asociados con una carga útil, y luego investigando la literatura para determinar los cohetes utilizados en el lanzamiento. En 1979, este hallazgo dio lugar al establecimiento del Programa de Desechos Orbitales de la NASA después de una sesión informativa para la alta dirección de la NASA, anulando la creencia anterior de que la mayoría de los desechos desconocidos procedían de antiguas pruebas ASAT, no de explosiones de cohetes de etapa superior estadounidenses que aparentemente podrían gestionarse fácilmente. agotando el combustible no utilizado del cohete Delta de la 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, siendo la primera la Agencia Espacial Europea. [13] : 2 Varios otros componentes de Delta en órbita (Delta era un caballo de batalla del programa espacial de EE. UU.) aún no habían explotado. [ cita necesaria ]
Durante la década de 1980, la Fuerza Aérea de los Estados Unidos (USAF) llevó a cabo un programa experimental para determinar qué pasaría si los desechos chocaran con satélites u otros desechos. El estudio demostró que el proceso se diferenciaba de las colisiones de micrometeoritos, en que se creaban grandes trozos de escombros que se convertirían en amenazas de colisión. [4]
En 1991, Kessler publicó "Cascada de colisión: los límites del crecimiento de la población en la 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. 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:
Un objeto de 1 kg que impacta a 10 km/s, por ejemplo, probablemente sea capaz de romper catastróficamente una nave espacial de 1.000 kg si golpea 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 suficientemente baja, la adición de escombros por impactos es más lenta que su tasa de descomposición 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 lleva 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 síndrome de Kessler. [4]
En una reseña histórica de principios de 2009, Kessler resumió la situación:
Las actividades espaciales agresivas sin las salvaguardias adecuadas podrían acortar significativamente el tiempo entre colisiones y producir un peligro intolerable para las futuras naves espaciales. 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 finales de los años 1970 para construir estaciones de energía solar en órbita terrestre, y anti -Guerra por satélite utilizando sistemas probados por la URSS, Estados Unidos y China durante los últimos 30 años. Actividades tan agresivas podrían crear una situación en la que la falla de un solo satélite podría provocar fallas 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 llevó a cabo la prueba estadounidense ASM-135 ASAT de 1985 , en la que el satélite Solwind P78-1 que volaba a una altitud de 555 kilómetros fue golpeado por una carga útil de 14 kilogramos 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 de los EE. UU. para la prueba Solwind ASAT, modelaron los efectos de la prueba y determinaron que los desechos producidos por la colisión todavía estarían en órbita hasta bien entrada la década de 1990. Obligaría a la NASA a mejorar la protección contra desechos de su futura estación espacial. [17]
El 11 de enero de 2007, China llevó a cabo 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, cuando el satélite con una masa de 750 kilogramos fue golpeado frontalmente por una carga útil cinética que viajaba a una velocidad de 8 km/s (18.000 mph) en la dirección opuesta. Los desechos resultantes orbitan la Tierra a una altitud media superior a 850 kilómetros 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, de la que se están rastreando 1500 fragmentos y se estima que cientos de miles de fragmentos son demasiado pequeños para rastrearlos. Dado que el satélite se encontraba en una órbita polar y sus restos se habían extendido entre altitudes de 300 km y 1000 km, podría potencialmente colisionar con cualquier satélite LEO, incluidas la Estación Espacial Internacional y la Estación Espacial China (Tiangong). [19] [20] [21]
Cada satélite, sonda espacial y misión tripulada tiene el potencial de producir desechos espaciales . El teórico síndrome de Kessler en cascada se vuelve más probable a medida que aumenta el número de satélites en órbita. En 2014, había alrededor de 2.000 satélites comerciales y gubernamentales orbitando la Tierra, [22] y en 2021, [actualizar]más de 4.000. [23] Se estima que hay 600.000 piezas de basura espacial que varían entre 1 y 10 cm ( 1 ⁄ 2 a 4 pulgadas), y 23.000 más grandes que eso. [23] En promedio, cada año, un satélite es destruido por colisión con otros satélites o basura espacial. [22] [24] Hasta 2009 [actualizar], se habían producido cuatro colisiones entre objetos catalogados, incluida una colisión entre dos satélites en 2009 . [4]
La desintegración 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 llevar gradualmente los escombros a altitudes más bajas donde los fragmentos finalmente vuelven a entrar, pero este proceso puede tardar milenios en altitudes muy elevadas. [25]
El síndrome de Kessler es problemático debido al efecto dominó y la retroalimentación desbocada en la que los impactos entre objetos de masa considerable desprenden escombros debido a la fuerza de la colisión. Los fragmentos pueden luego impactar contra otros objetos, produciendo aún más desechos espaciales: si ocurriera una colisión o explosión lo suficientemente grande, como entre una estación espacial y un satélite desaparecido, o como resultado de acciones hostiles en el espacio, entonces los desechos resultantes Esta cascada podría hacer que las perspectivas de viabilidad a largo plazo de los satélites, en particular de las órbitas terrestres bajas, sean extremadamente bajas. [26] [27] Sin embargo, incluso un escenario catastrófico de Kessler en LEO plantearía un riesgo mínimo para los lanzamientos que continúan más allá de LEO, o para los satélites que viajan en órbita terrestre media (MEO) o en 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 ocurre en órbitas más altas. [ cita necesaria ]
La UIT [28] exige con frecuencia a los diseñadores de un nuevo vehículo o satélite que demuestren que se puede eliminar 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 . [29] Para los lanzamientos estadounidenses o satélites que habrán transmitido a territorios estadounidenses (a 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 pasando a una órbita cementerio al final de su vida operativa. [29] Las regulaciones del gobierno de EE. UU. exigen de manera similar un plan para deshacerse de los satélites después del final de su misión: reingreso a la atmósfera, [ se necesita aclaración ] movimiento a una órbita de almacenamiento o recuperación directa. [30]
Un medio propuesto y energéticamente eficiente para desorbitar una nave espacial desde MEO es desplazarla a una órbita en una resonancia inestable con el Sol o la Luna que acelere la desintegración orbital. [31] [32]
Una tecnología propuesta para ayudar a lidiar con fragmentos de 1 a 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 ablación y crear un empuje que cambiaría la excentricidad de los restos del fragmento hasta que volviera a entrar y fuera destruido sin causar daño. [33]
La ESA y la startup suiza ClearSpace planean una misión para retirar de órbita el satélite PROBA-1 . [34]
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 millas), una altitud donde el ambiente de escombros es mayor; se puede esperar que dos objetos catalogados pasen a unos 200 m (660 pies) de Envisat cada año [35] , y es probable que aumente. Don Kessler predijo en 2012 que fácilmente podría convertirse en un importante contribuyente de desechos de una colisión durante los próximos 150 años que permanecerá en órbita. [35]
El programa Starlink de SpaceX genera preocupación sobre un 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 duplicará con creces los satélites actualmente en LEO. [34] [36] En respuesta a estas preocupaciones, SpaceX dijo que una gran parte de los satélites Starlink se lanzan a una altitud menor de 550 km (340 millas) para lograr una menor latencia (frente a 1.150 km (710 millas) como se planeó originalmente) Por lo tanto, se espera que los satélites fallidos o los desechos salgan de órbita dentro de cinco años, incluso sin propulsión, debido a la resistencia atmosférica. [37]
En 2024, Jon Kelvey señaló en un artículo general 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. Hay consenso". "Sin embargo, el concepto básico es sólido y la comunidad espacial necesita mejorar". [34]
Con suficientes escombros en órbita, las piezas comenzarán a golpear otras piezas, desencadenando una reacción en cadena de destrucción que dejará un halo letal alrededor de la Tierra.
la inyección deliberada en LEO de un gran número de partículas como medida antisatélite barata pero eficaz.
