La órbita terrestre muy baja es un rango de altitudes orbitales inferiores a 400 km (250 millas) y tiene una importancia comercial cada vez mayor en una variedad de escenarios y para múltiples aplicaciones, tanto en operaciones de satélites privados 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 millas) durante tres años, de 2009 a 2013.
La Agencia Espacial China lanzó la estación espacial Tiangong-1 en VLEO en 2011, orbitando a un promedio de 355 km (220 millas), y la Tiangong-2 en 2016, y ambas han salido de órbita desde entonces. El Tiangong, lanzado en 2021, opera a una distancia de aproximadamente 350 a 450 km (217 a 280 millas).
La Agencia Espacial Japonesa , JAXA, lanzó en 2017 su satélite de pruebas de altitud súper baja , o SLATS (“Tsubame”), cuya órbita disminuyó lentamente desde una altitud inicial de 630 km (391 millas) para operar a siete altitudes diferentes, desde 271 km (168 millas) hasta una altitud final de 167,4 km (104,0 millas).
Las empresas tomaron nota de este mayor interés en VLEO. En 2016, Skkeyon presentó la primera patente de satélite VLEO que describe la operación de satélites comerciales en órbitas de 100 a 350 km (62-218 millas), con planes para poner satélites en órbita VLEO. [ cita necesaria ] Empresas como Albedo, EOI Space, Thales Alenia Space y otras anunciaron planes en fechas posteriores. [3]
En junio de 2021, se llevará a cabo el “Primer Simposio Internacional sobre Misiones y Tecnologías VLEO”, [4] con casi 200 asistentes registrados de la industria, el mundo académico, 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]
Los beneficios de los satélites que operan en VLEO son muchos, [7] incluyendo; rendimiento satelital inherentemente mayor; costos de lanzamiento y operación sustancialmente más bajos; cargas útiles de comunicación con presupuestos de enlace significativamente mejores; y crear órbitas autolimpiantes, resolviendo esencialmente el importante problema de los desechos espaciales .
Definido aproximadamente como una medida de todas las ganancias y pérdidas de energía en un sistema de comunicación. [8] 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 por un extremo y la recibida por el otro 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 dispersión de la energía electromagnética en el espacio según la ley del cuadrado inverso , cuanto más cerca esté el satélite de la Tierra, menos potencia se necesitará para Cuanto más reciba una señal a la Tierra o al satélite, mejor será el presupuesto del enlace. Este presupuesto de enlace mejorado se puede utilizar para menor potencia con la misma velocidad de datos, mayor velocidad de datos con la misma potencia o una combinación de ambas. Los transmisores más pequeños y/o más potentes pueden estar basados en tierra, por satélite o ambos.
Si las órbitas VLEO son lo suficientemente bajas, son esencialmente autolimpiantes, lo que resuelve el importante problema de los desechos espaciales . Debido a que tanto la atracción gravitacional como la resistencia atmosférica son mayores en VLEO que en órbitas más altas, los vehículos en VLEO permanecerán allí hasta que se les acabe la propulsión o se les reabastezca de combustible. Una vez que finalice la propulsión, los vehículos más pequeños se quemarán al reingresar, mientras que los más grandes se quemarán y/o se romperán, creando potencialmente peligros para la Tierra y los habitantes que se encuentran debajo. [9] [10]
Existen varios desafíos para mantener los satélites operando en VLEO, que las órbitas más altas no tienen. Las órbitas por debajo de unos 450 km (280 millas) requieren el uso de tecnologías novedosas para que operen los satélites, como frecuentes ráfagas de propulsión, o incluso propulsión continua (por ejemplo, GOCE), para contrarrestar la resistencia atmosférica y las fuerzas gravitacionales más altas. [11]
El consumo de combustible aumenta exponencialmente cuanto más cerca de la Tierra está la órbita. La Estación Espacial Internacional (ISS) originalmente orbitaba a un promedio de 350 km (217 millas) de la Tierra, pero fue impulsada a un promedio de 400 km (248 millas) en 2011. [12] Esto permitió a la ISS pasar de un promedio consumo de combustible de 8.600 kg por año a 3.600 kg por año. Mover la ISS un promedio de 50 km (21 millas) más arriba, de 350 a 400 km, resultó en una reducción del uso anual de combustible en un 58%. La ISS ahora requiere ser reactivada sólo unas pocas veces al año debido a la desintegración orbital.
Existe una atmósfera residual en VLEO que crea una resistencia significativa a los satélites que planean mantener su 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 nanosatélites, no están construidos para el reabastecimiento de combustible y deben transportar sus propios satélites o desarrollarlos a partir de los recursos disponibles. Con este fin, varias empresas y gobiernos están desarrollando motores que utilizan diferentes conceptos de propulsión en VLEO. La empresa Kreios Space está desarrollando un sistema de propulsión por respiración de aire para satélites VLEO, [13] mientras que Skkeyon tiene una patente sobre un sistema de propulsión que utiliza un motor de iones autosostenible. [14] La resistencia de la atmósfera residual también exige un mejor diseño aerodinámico de las naves espaciales. 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 VLEO están expuestos a niveles muy altos de oxígeno elemental, [15] también conocido como oxígeno atómico (AO), una forma de oxígeno altamente reactiva que corroe la mayoría de las sustancias rápidamente. [16] 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. [17] 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 encontrada por 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 [18] para uso VLEO que proporcionan simultáneamente dos beneficios clave: protección contra daños por AO y una superficie exterior atómicamente lisa que dispersa los átomos de AO de manera elástica, lo que resulta en la mitad de la resistencia 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, [19] el 29 de septiembre de 2022, la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) adoptó una nueva norma. Los nuevos satélites colocados en órbita deben ser desorbitados o colocados en una órbita cementerio cinco años después de la vida de la misión, en comparación con los 25 años previamente aceptados generalmente después de la vida de la misión. Esto se aplica a los satélites con licencia estadounidense, así como a aquellos de otros países que buscan acceder al mercado estadounidense. [20] Los propietarios de satélites ahora deben presentar planes de desorbitación 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 VLEO también requerirán planes de desorbitación cuando se complete una misión. Sin embargo, debido a que la resistencia atmosférica en VLEO es de órdenes de magnitud mayor, se puede ordenar al sistema de control de actitud del satélite que normalmente garantiza que se mantengan las direcciones de balanceo, cabeceo y guiñada del vehículo, que gire el satélite hasta su superficie más alta mirando 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 las órbitas VLEO y aprovechar las propiedades inherentes de autolimpieza de la resistencia atmosférica en el reingreso.