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Cómo el arma más grande del mundo ayudó a resolver un misterio espacial de larga data
Grandes fragmentos de metal podrían destruir otros satélites o naves espaciales en órbita, lo que genera temores de una reacción en cadena fuera de control, llamada Síndrome de Kessler. Agnes López
En un día sofocante de agosto, en una oficina sin ventanas de un centro comercial en el centro-norte de Florida, Rafael Carrasquilla y una docena de otros estudiantes usaban guantes quirúrgicos mientras quitaban montones de polvo con pinzas. Estaban buscando diminutas astillas de fibra de carbono de solo unos milímetros de largo, casi invisibles a simple vista. No había ventiladores, ni estornudos ni movimientos repentinos en la mesa de laboratorio.
Cuando encontraron uno, registraron su aparición en una base de datos, lo empaquetaron, lo etiquetaron y lo colocaron entre decenas de miles de otros minuciosamente organizados en filas de contenedores de plástico.
Las ventanas y puertas están cubiertas para excluir la luz natural, manteniendo la coherencia de la fotografía de fragmentos | El centro comercial en Gainesville, Florida, que alberga el esfuerzo de caracterización de DebriSat
Durante años, los trabajadores que buscaban esos fragmentos los depositaban suavemente en una microbalanza aislada del ruido de los camiones que pasaban por una gruesa encimera de granito. El peso medio era de unos 0,5 microgramos, una centésima parte del de una pestaña humana. Estos fragmentos son tan insustanciales que incluso cambios leves en la temperatura podrían sesgar los resultados, por lo que los trabajadores aprendieron a esperar unos minutos después de ingresar a la habitación antes de continuar con su tarea, para que el clima del aire acondicionado tuviera la oportunidad de estabilizarse. Hay operadores que aguantan la respiración con la microbalanza para que no provoquen una mala lectura, dice Carrasquilla. Eventualmente, pasaron de pesar estos fragmentos más pequeños, habiendo catalogado suficientes para comprender su importancia. Ahora los cuentan meticulosamente todos pero pesan solo los más grandes.
Carrasquilla lidera el esfuerzo de caracterización de fragmentos para la Universidad de Florida, parte de un experimento dirigido por la NASA llamado DebriSat que comenzó en 2011 . DebriSat fue creado para responder a una pregunta: ¿Qué sucede cuando una pieza de escombros orbitales choca contra un satélite a miles de millas por hora? Si tal colisión ocurre en órbita, es imposible realizar un seguimiento del caos resultante. La única forma de responder a esa pregunta con confianza es causar un impacto catastrófico en un laboratorio aquí en la Tierra, donde las condiciones pueden controlarse cuidadosamente y los resultados pueden catalogarse meticulosamente.
Los desechos orbitales vienen en muchas formas y tamaños, desde fragmentos similares a los que el grupo de Carrasquilla estaba analizando hasta propulsores de cohetes de tamaño completo que quedan en el espacio. En órbita, incluso los fragmentos en miniatura son capaces de dañar satélites o penetrar trajes espaciales. La energía cinética aumenta con el cuadrado de la velocidad de un objeto, y los impactos en órbita suelen ocurrir a más de 20 000 millas por hora, por lo que incluso las diminutas agujas de fibra de carbono pueden causar daños. El mayor riesgo de finalización de la misión para las naves espaciales operativas proviene de los desechos orbitales pequeños, de tamaño milimétrico, no de los objetos grandes y gordos, dice Jer Chyi JC Liou, científico jefe de desechos orbitales de la NASA en el Centro Espacial Johnson en Texas.
Una vez pesado, medido, descrito y fotografiado cada fragmento, se embolsa y archiva Agnes Lopez
Pero los modelos de computadora de Liou tenían un punto ciego cuando se trataba de escombros. Las simulaciones no coincidían con la evidencia traída desde la órbita por el transbordador espacial, o lo que la NASA estaba viendo en colisiones reales.
En enero de 2007, China destruyó intencionalmente uno de sus propios satélites meteorológicos Fengyun utilizando un misil antisatélite. Luego, en febrero de 2009, un extinto satélite militar ruso Kosmos chocó accidentalmente con un satélite de comunicaciones Iridium muy por encima de Siberia. Los dos eventos crearon vastas nubes de fragmentos que obligaron a los satélites y a la Estación Espacial Internacional a realizar maniobras para evitar colisiones.
Los fragmentos de Kosmos se alinearon con nuestras predicciones, pero las rupturas de Iridium y China se veían significativamente diferentes de nuestros modelos, dice Liou. El número de fragmentos fue mucho mayor de lo que predijimos.
Algunos de los fragmentos de escombros satelitales extraídos por el equipo de la Universidad de Florida Agnes Lopez
Si el software de la NASA estaba subestimando las consecuencias de las rupturas y colisiones orbitales, podría estar poniendo a la nave espacial de la agencia, y a los astronautas a bordo, en peligro real.
La NASA estableció el programa DebriSat para llegar al fondo de esta discrepancia y le pidió a Norman Fitz-Coy, director del Grupo de Investigación de Sistemas Espaciales de la Universidad de Florida, que diseñara un satélite modelo, también llamado DebriSat. El 15 de abril de 2014 disparó con el arma más grande del mundo. Range G, como se llama el arma, está enterrado en un túnel debajo de un bosque en la Base de la Fuerza Aérea Arnold en Tennessee. Fue construido en 1963 y ha sido disparado miles de veces en pruebas de armas. Su cañón se alargó a 192 pies (58,5 metros) en 2004.
El barril se asemeja a una pipa inocua: parece menos notable de lo que es. El arma tiene dos etapas. La primera etapa utiliza varios cientos de libras de pólvora convencional. Después de encenderse electrónicamente, la pólvora explota y acelera un pistón por el interior de la tubería. El frente del pistón forma un sello con las paredes de la tubería: a medida que acelera a casi 2,000 mph, comprime gas hidrógeno frente a él.
Eventualmente, el gas altamente comprimido rompe un disco de retención (por diseño). Esto libera la energía acumulada del gas para disparar un proyectil al objetivo a más de 15,000 millas por hora. El proyectil en la prueba de DebriSat era un cilindro de aluminio hueco especialmente diseñado y tapado con nailon, del tamaño de una lata de refresco. Cuando golpeó el satélite, la colisión creó una esfera de fuego que floreció rápidamente y arrojó una nube de pequeños fragmentos a los bloques de espuma circundantes, donde fueron capturados suavemente. Fitz-Coy recuerda haber sentido temblar la lejana sala de control en la que se encontraba en el momento del impacto.
Luego, los bloques de espuma se empaquetaron cuidadosamente y se enviaron al centro comercial en Gainesville, donde el equipo de Fitz-Coy se había instalado. Su tarea era extraer de los bloques cada fragmento del satélite de más de dos milímetros. Fitz-Coy esperaba reunir y analizar alrededor de 85.000 piezas de metal, plástico y vidrio e informar en un año.
Cinco años y 195.000 extracciones después, aún quedan por recolectar aproximadamente 100.000 fragmentos. Algunos fragmentos son pequeños y otros son grandes, pero la gran cantidad sugiere que cada colisión, explosión y ruptura en órbita está creando muchos más escombros de lo que nadie había imaginado previamente.
Antes de DebriSat, la NASA pensaba que había más de 100 millones de objetos de escombros de escala milimétrica orbitando la Tierra, todos virtualmente indetectables, pero cualquiera de los cuales podría destruir un satélite o perforar un traje espacial. Los resultados de DebriSat, junto con otras investigaciones de la NASA, sugieren que esta estimación subestima drásticamente los fragmentos más pequeños en el espacio y el enorme riesgo que representan.
A medida que la humanidad se prepara para lanzar miles de satélites más y docenas de nuevas misiones tripuladas en los próximos años, debemos enfrentar el hecho de que los micro-desechos que no podemos ver allá arriba son posiblemente incluso más peligrosos que la basura espacial que podemos ver.
En 1978, los científicos de la NASA Donald Kessler y Burton Cour-Palais publicaron un artículo advirtiendo que una cascada de colisiones de satélites podría crear un cinturón de asteroides artificiales de escombros alrededor de la Tierra que dificultaría futuros lanzamientos, un fenómeno que se denominó Síndrome de Kessler.
La NASA estima que ha habido más de 250 eventos significativos que causan escombros en órbita desde 1961, principalmente por la ruptura explosiva de naves espaciales y cuerpos de cohetes. Los escombros de la colisión Iridium-Kosmos y la prueba antisatélite china hace más de una década todavía representan alrededor de un tercio de todos los objetos catalogados en órbita.
Pero, ¿por qué los modelos de la NASA acertaron en la cantidad de fragmentos de Kosmos y los demás estaban tan equivocados?
Una diferencia obvia era que la Kosmos rusa era considerablemente más antigua que las otras naves espaciales. Liou sospechó que los satélites Iridium y Chinese Fengyun produjeron una cantidad inesperadamente grande de fragmentos porque utilizaron compuestos de fibra de carbono y aislamiento térmico multicapa. Los fragmentos de estos materiales ligeros y modernos podrían desintegrarse en la atmósfera más rápido que los metales (los fragmentos de tamaño comparable tienen menos inercia y, por lo tanto, son más susceptibles al arrastre atmosférico), pero parecía que había muchos, muchos más.
El modelo existente de la NASA se basó en una prueba de 1992, en la que un satélite de la década de 1960 llamado Transit fue atacado por la misma pistola gigante en Tennessee. Pero la Transit era antigua, como la Kosmos, con más metal y menos plástico que los satélites actuales. La versión de 1992 del arma también era menos poderosa que la de 2014, y el análisis de los fragmentos resultantes se realizó de manera desordenada. Aunque se han realizado otras pruebas de hipervelocidad antes y después, la prueba Transit fue la única vez que un satélite listo para volar voló en la Tierra. Los mejores modelos de colisión orbital de hoy todavía se basan en gran medida en sus datos antiguos e incompletos.
Los riesgos de confiar en modelos inexactos quedaron claros en 2014, cuando la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA) estaba dando los toques finales a su último satélite meteorológico. El Sistema de Satélites Polares Conjuntos, o JPSS-1, es uno de los primeros satélites en un esfuerzo de 40 años y 19 mil millones de dólares para recopilar una gran cantidad de datos sobre nubes, temperaturas superficiales, gases atmosféricos e incendios forestales para mejorar la puntualidad y precisión de los pronósticos. antes de eventos climáticos severos. También rastrearía erupciones volcánicas, detectaría incendios forestales y detectaría los primeros signos de sequía.
La NOAA, naturalmente, quería asegurarse de que JPSS-1, que costó alrededor de $ 2 mil millones, sobreviviría durante toda su vida útil de siete años. Como es común en los satélites grandes y costosos, sus constructores llevaron a cabo una evaluación de riesgos utilizando modelos informáticos de tres agencias independientes: la NASA, la Agencia Espacial Europea y una organización de investigación independiente. Todos más o menos coincidieron en la amenaza que representan los micrometeoroides y los desechos orbitales de más de tres milímetros.
Pero luego, el equipo de Liou lanzó una nueva versión del modelo de ingeniería de la NASA para desechos orbitales. Los científicos de la NOAA corrieron los números nuevamente, esperando ver solo cambios menores, y se llevaron una desagradable sorpresa. El software más reciente fue mucho más pesimista que los modelos anteriores, prediciendo que JPSS-1 podría experimentar hasta 160 veces más daño por fragmentos de un milímetro o menos. Mientras que la versión anterior le había dado al tanque propulsor del JPSS-1 un 1% de probabilidad de sufrir un impacto que terminara con la misión, ahora había un riesgo inaceptable de catástrofe del 26%.
El riesgo había aumentado porque el nuevo software ahora incluía datos del único instrumento de la NASA que en realidad, aunque involuntariamente, había tomado muestras de micrometeoritos y desechos orbitales en la órbita terrestre baja. El transbordador espacial corrió el guante de los desechos orbitales durante casi 30 años, reuniendo todo tipo de astillas, golpes y pequeños agujeros de los impactos a hipervelocidad durante su tiempo en el aire. Desde 1992 hasta el retiro del transbordador en 2011, sus ventanas y radiadores fueron examinados en detalle en busca de daños por desechos orbitales. La gran sorpresa fue que los investigadores encontraron más de 2600 cráteres de impacto solo en estas superficies, lo que corresponde a más de 10 veces más fragmentos de escala milimétrica de lo esperado.
Los datos de impacto in situ de los transbordadores siguen siendo los mejores que tiene la NASA. (El avión espacial no tripulado X37B de la Fuerza Aérea de EE. UU. probablemente recopiló datos similares durante sus misiones clandestinas de varios años, que permanecen clasificadas). Pero la fuente de los pequeños escombros era un misterio. Algo estaba generando grandes cantidades en la órbita terrestre baja, y nadie sabía qué era o cómo estaba sucediendo.
La prueba DebriSat de la NASA, que prometía revelar algunos de los misterios en torno a las rupturas y colisiones, de repente pareció aún más importante. Pero primero, Fitz-Coy tendría que diseñar y construir un satélite tan realista como el JPSS-1, con una pequeña fracción del presupuesto de la NOAA.
Básicamente pasamos por el mismo proceso que uno seguiría si se construyera un satélite real, dice. Teníamos todo el hardware, el cableado, la electrónica y la óptica a bordo, todo menos el software.
Algunos de los componentes más económicos, como una unidad de medición inercial y una rueda de reacción, fueron donados por los fabricantes. Para hardware más costoso, como rastreadores de estrellas de precisión, el equipo de Fitz-Coy tomó prestada una muestra y construyó una copia lo más cercana posible. No se necesita nada para que realmente funcione; solo tenía que tener los materiales correctos en los lugares correctos.
Fitz-Coy sabía que con el presupuesto limitado de la NASA para costosas pruebas con desechos, DebriSat podría ser el último experimento de ruptura en otros 20 o 30 años. Así que trató de anticipar cómo se construirían los satélites en el futuro. Por ejemplo, la batería que elegimos era de polímero de litio en lugar de la típica de níquel-cadmio, dice. El satélite también contaría con aislamiento multicapa, paneles solares desplegables y elementos estructurales de fibra de carbono que se encuentran en prácticamente todos los satélites nuevos más grandes que los cubesats.
La NASA regresó al Rango G para el experimento, cubriendo casi cada centímetro cuadrado de la cámara de explosión con capas de paneles de espuma codificados por colores, aumentando en densidad para atrapar fragmentos cada vez más energéticos. Las fotos del antes y el después del experimento muestran que la explosión hipersónica había transformado la ordenada cámara de prueba en Arnold en un caos caótico de espuma rota y cables colgantes. El satélite de Fitz-Coy parecía simplemente haber desaparecido.
Cuando los primeros paneles de espuma llegaron a Gainesville, algunos estaban prácticamente intactos, mientras que otros se habían hecho pedazos. Se sometieron a rayos X y las imágenes resultantes se unieron computacionalmente, se ejecutaron a través de un algoritmo de detección de objetos y se proyectaron de nuevo en el panel físico. Los estudiantes insertaron alfileres en la espuma donde la proyección indicaba que acechaban fragmentos. Los rayos X pudieron identificar dónde estaban los fragmentos, pero poco más sobre ellos.
Cada panel de espuma carbonizado por la explosión de DebriSat tiene un código único que describe de dónde proviene en la cámara de explosión. Agnes López
Luego salieron las pinzas. Es exactamente la misma tarea manual que realiza un arqueólogo en una excavación, dice Fitz-Coy. Entran y excavan con cuidado alrededor de las cosas para no dañar el artefacto.
Lentamente, diminutas formas emergieron del material ennegrecido y friable. La mayoría eran minúsculas agujas de fibra de carbono o escamas de metal sin importancia. Ocasionalmente, aparecía un tornillo reconocible o un fragmento de placa de circuito. Cualquiera que sea la forma que tomaron, un trabajador escribió las coordenadas del panel de espuma del fragmento en una bolsa de plástico y la metió con cuidado.
El siguiente paso fue caracterizar el fragmento. Usando un microscopio, los estudiantes lo compararon con uno de los 15 materiales conocidos, seis formas y 13 colores (los componentes se anodizaron en diferentes tonos para ayudar a reducir el origen de cada fragmento).
Posteriormente, las piezas fueron pesadas y fotografiadas. Mientras que los fragmentos planos obtuvieron una foto digital normal, los trozos más grandes se colocaron en una plataforma de imágenes en 3D que utiliza seis cámaras compactas, un tocadiscos de pantalla verde y una computadora dedicada.
El material, la forma y la densidad son información importante para comprender mejor el resultado de cualquier nave espacial que sea impactada por desechos orbitales, dice Liou. Imagine una pequeña pieza de escombros golpeando el tanque de propulsor de su cohete a 10 kilómetros por segundo [más de 22,000 millas por hora]. Vas a querer saber su masa y si es acero inoxidable o una pieza de plástico.
Recopilar toda esta información lleva tiempo: alrededor de tres minutos para inspeccionar visualmente un fragmento, cuatro para pesarlo, cinco para tomar una foto en 2D y hasta media hora para tomar, procesar y cargar cada imagen en 3D. Finalmente, los datos de cada fragmento deben verificarse manualmente para verificar su precisión, lo que lleva otros 15 minutos en promedio. Fitz-Coy enfatiza que DebriSat es tanto un proyecto de big data como de ingeniería: los servidores del proyecto actualmente contienen más de 40 terabytes de datos.
Cada placa de espuma se someterá a rayos X para localizar fragmentos alojados en el interior. El equipo de DebriSat estima que quedan por recolectar más de 100,000 fragmentos. Agnes López
Hasta hace poco, los estudiantes de la Universidad de Florida evaluaban cada fragmento a medida que se recuperaba. Eso implicó principalmente medir pequeños fragmentos de fibra de carbono, que representan casi dos tercios de todos los 67,000 fragmentos procesados hasta la fecha.
Eventualmente, después de que el tamaño de la tarea se hizo evidente, las prioridades del proyecto cambiaron. Originalmente, la NASA había pedido una descripción de cada fragmento de más de dos milímetros. Pero este verano, el equipo de DebriSat decidió centrarse en fragmentos de 10 centímetros o más. Los fragmentos más pequeños se contarían pero no se analizarían. Estadísticamente, tenemos todo lo que necesitamos en las agujas de fibra de carbono, dice Fitz-Coy.
Eso permitirá a su equipo alcanzar su objetivo de caracterizar el 90% de la masa del satélite objetivo más rápido y, por lo tanto, acelerar el desarrollo de un nuevo modelo de ruptura de satélites en la NASA. Concentrarse en trozos de metal tan pesados parece tener sentido. Estos son fragmentos más grandes que la bala de aluminio de DebriSat: lo suficientemente grandes como para amenazar a las naves espaciales tripuladas, lo suficientemente grandes como para provocar que se hable del síndrome de Kessler y lo suficientemente grandes como para que los operadores de satélites los detecten, rastreen y eviten. Pero la gran cantidad de fragmentos más pequeños sigue siendo un problema en sí mismo.
La Red de Vigilancia Espacial de EE. UU., operada por el Pentágono, usa un radar para rastrear todo lo que mide más de 10 centímetros alrededor de la Tierra, hasta distancias geoestacionarias: una décima parte del camino a la Luna. Esto es mucho más alto que las órbitas donde residen la mayoría de los satélites. Los radares Haystack y Millstone Hill del MIT en Massachusetts pueden detectar fragmentos de más de cinco milímetros en estas órbitas terrestres bajas, y el radar Goldstone de la NASA en California puede detectar cualquier cosa mayor de tres milímetros. Haystack y Goldstone simplemente brindan una idea de cuántos fragmentos más pequeños hay allí, pero no pueden realizar un seguimiento de sus órbitas. Y para los desechos de menos de tres milímetros de tamaño, los métodos de detección remota simplemente no existen.
La NASA aún no sabe con certeza de dónde provienen todos los micro-desechos que salpicaron el transbordador. En un informe de seguridad de ingeniería de 2015, la agencia descartó las colisiones orbitales y las rupturas como fuente, aunque eso fue antes de los nuevos datos de la prueba DebriSat. En ese informe, la agencia concluyó que todas las naves espaciales en órbita deben estar sujetas a una erosión constante de escombros y meteoritos de escala milimétrica que continuamente impactan a los satélites y desprenden fragmentos más pequeños de manera similar. El Síndrome de Kessler, al parecer, ha estado con nosotros durante décadas, solo en una escala demasiado pequeña para ver.
Gracias a las megaconstelaciones de satélites de la talla de SpaceX, Amazon y OneWeb, la humanidad está preparada para aumentar la cantidad de satélites en órbita terrestre baja en un factor de 25 en los próximos años. Con nuevos radares, buena coordinación y un poco de suerte, los satélites del mañana podrían evitar los fragmentos más grandes de escombros. Pero la cantidad de escombros que son demasiado pequeños para rastrearlos solo va a crecer. La única pregunta es si esto sucederá de repente, lo que sucederá si hay más colisiones como las de 2007 y 2009, o gradualmente, a medida que los escombros existentes derriben fragmentos del creciente número de satélites.
Los satélites y las naves espaciales tendrán que volar a través de esta niebla orbital. La solución de NOAA para JPSS-1 fue reforzar la protección alrededor del tanque de propulsor y simplemente esperar que su delicada carga útil científica tuviera suerte durante la misión de varios años del satélite. Eso no siempre es posible, dice Hugh Lewis, un experto en desechos espaciales de la Universidad de Southampton en el Reino Unido. Lewis es parte de un proyecto europeo multidisciplinario que trata de idear nuevas técnicas de mitigación, como un blindaje liviano impreso en 3D diseñado específicamente para proteger contra micro-desechos. El blindaje tiende a agregar bastante masa y volumen, dice. También puede colocar componentes vulnerables o importantes más profundamente en la nave espacial y protegerlos con otros menos importantes. Pero cambiar la configuración de la nave espacial no es necesariamente una opción barata o fácil.
Hasta la fecha se han extraído más de 195.000 fragmentos, desde diminutas agujas de fibra de carbono hasta componentes electrónicos reconocibles Agnes Lopez
Las agencias espaciales y los operadores de satélites también necesitan mejores modelos informáticos para las condiciones y colisiones en órbita. JC Liou dice que los datos de DebriSat no comenzarán a mejorar el modelo de ruptura de la NASA hasta dentro de tres años. Moriba Jah, profesor asociado de ingeniería aeroespacial en la Universidad de Texas en Austin, dice que los experimentos como DebriSat son tanto esenciales como ingenuos: no hay nada mejor que los datos reales que obtienes al hacer estallar algo, [pero] nunca podrás explotar lo suficiente como para obtener una muy buena comprensión estadística de cómo se descomponen estas cosas.
Mientras tanto, las mediciones de DebriSat avanzan lentamente, proporcionando trabajo para otra cohorte de estudiantes. Podríamos seguir cinco años más, o 10, dice Rafael Carrasquilla. Fitz-Coy dice que la fecha límite actual de DebriSat es 2022, aunque ni siquiera tiene fondos tan lejanos.
Han estado contando piezas desde siempre, pero necesitamos tener estos datos ayer, dice Jah. Con los primeros datos de Gainesville saliendo a la luz, ya se está haciendo algo de ciencia. Joshua Miller, ingeniero aeroespacial de la Universidad de Texas en El Paso, publicó un breve artículo en una revista de la NASA en diciembre de 2018 sobre las escamas y agujas de fibra de carbono descubiertas por DebriSat. Descubrió que los desechos de fibra de carbono de forma irregular podían penetrar un escudo similar al utilizado por la Estación Espacial Internacional más fácilmente de lo que habían supuesto los modelos anteriores, que consideraban solo partículas esféricas.
Los estudiantes extraen fragmentos de las tablas de espuma usando pinzas. Agnes López
Nunca exactamente lleno de efectivo, DebriSat ahora se enfrenta a un futuro incierto con tecnología obsoleta. Su máquina de rayos X original se descompuso hace dos años, y desde entonces no se han sometido a rayos X paneles de espuma en Florida. Fitz-Coy espera que una unidad reutilizada para escanear equipaje en los aeropuertos vuelva a encarrilar el proceso. Lo conseguiremos aquí y veremos si funciona, dice. Puede que sí o puede que no. Dedos cruzados.
De cualquier manera, el proyecto DebriSat ya ha demostrado ser demasiado importante para cancelarlo. Después de que la máquina de rayos X fallara, el equipo de Carrasquilla en un momento incluso recortó con cuidado paneles de espuma enteros sin saber qué había dentro. Hay una necesidad de datos, y queremos sacarlos lo más rápido posible, dice Fitz-Coy. Pero todo aquí lleva mucho tiempo. A pesar de nuestros mejores esfuerzos, es solo la naturaleza de la tarea.