Un policía de tráfico para la órbita terrestre baja | Mayo de 2021

En la Tierra, evitar colisiones es una prioridad clave para los policías de tránsito, los controladores de tránsito aéreo y los padres de niños pequeños. No es diferente en el espacio, y tal vez incluso más crítico, dado que los objetos que orbitan la Tierra se mueven a más de 17,000 mph, lo que significa que incluso objetos muy pequeños de menos de un centímetro de diámetro han causado daños a la Estación Espacial Internacional, la Transbordador espacial y satélites.

De hecho, la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA) de EE. UU. Estima que hay más de 500.000 de estos objetos orbitando la Tierra que son más grandes que una canica, y al menos un millón de piezas más pequeñas de escombros que no se pueden rastrear. Sobre la base del creciente número de lanzamientos comerciales y gubernamentales de naves espaciales, satélites e incluso estaciones espaciales, se espera que la cantidad de objetos que deberán ser catalogados, rastreados y administrados aumente significativamente en los próximos años. Y las soluciones a este problema están plagadas de desafíos técnicos y políticos.

Una organización clave encargada de rastrear y notificar a los operadores de objetos espaciales de una posible colisión de rumbo es la 18^th Space Control Squadron (SPCS), parte de la Red de Vigilancia Espacial (SSN) de la Fuerza Aérea de los EE. UU., Que actualmente rastrea 27,000 objetos en órbita terrestre baja (hasta 2,000 km sobre la superficie de la Tierra), órbita terrestre media (2,000 km a 3,600 km hacia arriba ) y la órbita ecuatorial geosincrónica (ubicada a 35,786 km sobre la Tierra).

El 18^th SPCS está ubicado junto al Centro de Operaciones Espaciales Combinadas en la Base de la Fuerza Aérea Vandenberg en el condado de Santa Bárbara, CA, y está encargado de manejar evaluaciones conjuntas (los encuentros físicos cercanos de dos objetos rastreados en el espacio), prevención de colisiones y evaluación de reentrada para satélites y otros objetos que regresan a la Tierra desde el espacio.

El seguimiento de objetos se maneja a través de una red de sensores y telescopios ubicados en todo el mundo y en el espacio, y utiliza conjuntos de datos de posición de elementos de dos líneas (TLE) (que incorporan los parámetros necesarios para identificar de forma única un elemento en órbita en un momento dado). que luego se pueden introducir en modelos que tienen en cuenta el arrastre atmosférico, el arrastre gravitacional causado por la forma de la Tierra, el giro de la Tierra y varios otros factores para predecir el movimiento de cada objeto en órbita a lo largo del tiempo.

La Red de Vigilancia Espacial también incorpora el radar de imágenes por satélite de banda ultraancha Haystack (HUSIR), que se encuentra en el Laboratorio Lincoln del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT). HUSIR, el sensor de mayor alcance y resolución del mundo, genera simultáneamente imágenes de bandas X y W que pueden proporcionar información valiosa sobre el tamaño, la forma y la orientación de los objetos que orbitan la Tierra. HUSIR se incorporó al SSN en 2014.

En marzo de 2020, se declaró operativa la capacidad adicional de seguimiento de objetos conocida como Space Fence, diseñada para proporcionar una resolución más alta para los objetos rastreados. Ubicada en la isla Kwajalein en la República de las Islas Marshall cerca del Ecuador en el Océano Pacífico, Space Fence usa un sistema de radar de banda S para rastrear objetos principalmente en órbita terrestre baja (aunque también es capaz de rastrear objetos en órbitas más altas) y permite el seguimiento de objetos por debajo del límite de tamaño anterior de 10 cm.

Si bien la tecnología Space Fence permite una mayor visibilidad de los objetos más pequeños que orbitan la Tierra, requiere una cantidad significativa de poder de cómputo para proyectar las trayectorias de estos objetos, según Mike Gruntman, profesor de Astronáutica en la Escuela de Ingeniería de la Universidad del Sur de California.

«Cuando el número de objetos catalogados aumenta en un factor de cuatro, se necesita un aumento de la potencia computacional en un factor de 16», dice Gruntman, señalando que los operadores comerciales están lanzando cada vez más un mayor número de objetos al espacio, y están no necesariamente construirlos con un alto estándar de confiabilidad, debido al costo. Esto puede crear una situación en la que los satélites funcionen mal y luego se salgan de la órbita de regreso a la Tierra o ya no se puedan maniobrar, lo que aumenta el riesgo de una colisión con otro objeto en el espacio. «Entonces, tendremos muchos más satélites que representarán un desafío durante muchas décadas, hasta que descubramos cómo administrarlo, y la administración no es fácil porque no se puede decir a un país determinado, ‘no se puede lanzar un satélite'».

Gruntman agrega que simplemente agregar más potencia de cómputo, aunque es útil, aún no es capaz de superar las limitaciones de precisión de los sensores existentes que no pueden tener en cuenta la resistencia atmosférica y la radiación solar, lo que introduce un alto grado de variabilidad en la trayectoria de un objeto en órbita, así como la tiempo y trayectoria de un objeto que se espera que se salga de la órbita y regrese a la Tierra. En última instancia, «observaciones más frecuentes de varios sitios ayudarán a corregir continuamente las predicciones», según Gruntman. Sin embargo, agrega que ninguna cantidad de poder de cómputo puede abordar el creciente número de propietarios / operadores que lanzan objetos al espacio, pero eligen no informar o compartir sus trayectorias con las autoridades de seguimiento.

Esto se ve agravado por la falta de una única autoridad internacional predominante que sirva como el equivalente espacial del control del tráfico aéreo. Si bien la Oficina de las Naciones Unidas para Asuntos del Espacio Ultraterrestre (UNOOSA) promueve la cooperación internacional en el espacio ultraterrestre, no tiene ninguna autoridad reconocida para hacer cumplir las regulaciones a nivel internacional.

Dentro de los EE. UU., Una directiva de la Casa Blanca de 2018 designó al Departamento de Comercio para que actuara como policía de tráfico para el espacio, aunque es probable que otras agencias continúen desempeñando algún papel en la gestión del tráfico espacial. La Administración Federal de Aviación (FAA) regula los lanzamientos y reentradas, y la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) es responsable de regular las transmisiones por satélite.

Mientras tanto, el Departamento de Defensa de EE. UU. Tiene quizás el papel más activo en el seguimiento y la gestión de objetos en órbita a través de los 18^th SPCS, aunque se basa en gran medida en la cooperación entre las partes, incluidas otras autoridades espaciales como la NASA, la Agencia Espacial Europea y la Corporación Estatal de Actividades Espaciales de Roscosmos de Rusia, así como en la cooperación con empresas espaciales comerciales, en lugar de entre países específicos o en todo el mundo. autoridades.

«El 18^th Space Control Squadron brinda servicios para evitar colisiones, que es un servicio gratuito que se brinda a los propietarios / operadores de satélites en nombre del gobierno de los Estados Unidos a través del Comando Espacial de los Estados Unidos «, explica el teniente coronel Justin Sorice, comandante de los 18^th SPCS. «El 18^th El Escuadrón de Control Espacial envió casi 20 millones de mensajes de datos de conjunción este año, informando a los propietarios / operadores de satélites qué tan cerca están sus sistemas de acercarse a otros objetos espaciales para poder tomar una decisión de maniobra «.

El 18^th Actualmente, SPCS comparte información sobre el conocimiento del dominio espacial con más de 100 organizaciones gubernamentales, académicas y comerciales asociadas de 25 países a través de acuerdos formales de intercambio de datos sobre el conocimiento de la situación espacial y a través de un sitio web de acceso público, www.Space-Track.org. Es este intercambio de datos y cooperación lo que permite a las agencias gubernamentales estadounidenses encargadas de rastrear objetos trabajar con gobiernos extranjeros y operadores comerciales para identificar y rastrear satélites, cohetes y otros elementos que se lanzan al espacio.

«Una de las cosas más valiosas que podemos hacer es lo que llamamos participación temprana, hacer contacto con nuevos propietarios-operadores, ya sean comerciales, civiles o cualquier otra cosa, y comprender realmente cuáles son los objetivos de su misión», dice Diana McKissock. Responsable de seguridad de vuelos espaciales y compartición de SSA para el 18º SPCS. «El Departamento de Defensa no tiene la autoridad para administrar el tráfico espacial; más bien, proporcionamos datos de seguridad de los vuelos espaciales que ayudan a los propietarios / operadores de satélites a tomar decisiones responsables para mitigar el riesgo para sus naves espaciales y el entorno espacial. Un desafío importante para la comunidad espacial es la falta de normas de comportamiento acordadas o regulaciones globales aplicables, que podrían proporcionar una verdadera estructura de gestión del tráfico espacial «.

La comunicación y la cooperación con los propietarios-operadores comerciales y gubernamentales de objetos espaciales serán clave para limitar futuras colisiones espaciales entre objetos, dado el creciente número de conjunciones cada año. «En 2019, hubo alrededor de 328 conjunciones cercanas con la Estación Espacial Internacional (ISS)», dijo Sorice, y agregó que durante 2020 hasta fines de noviembre, «hemos tenido 460. Entonces, nuevamente, el dominio espacial se está volviendo mucho más congestionados a medida que avanzamos «.

McKissock dice que para los objetos en órbita terrestre baja, los criterios de notificación de emergencia, que permiten el 18^th SPCS para compartir información con el propietario u operador de cualquier satélite activo, especifica el tiempo de aproximación más cercana entre dos objetos dentro de un período de 72 horas, con una distancia de falla de un metro y una probabilidad de colisión de más de 1 en 10,000. El criterio para órbitas más profundas expande la distancia de falla a menos de 500 metros. En ausencia de un regulador espacial internacional, la cooperación entre operadores comerciales y gubernamentales es clave para eliminar colisiones potencialmente catastróficas.

«Las políticas bajo las que trabajamos nos permiten compartir información con los propietarios y operadores de cualquier satélite activo, lo que nos permite trabajar en estrecha colaboración con muchas entidades civiles y comerciales extranjeras que están dispuestas a comunicarse con nosotros», dice McKissock. «En este momento, de los casi 3.500 satélites activos, creo que tenemos una comunicación positiva con aproximadamente el 95% de esos propietarios-operadores».

«Una de las cosas más valiosas que podemos hacer es lo que llamamos participación temprana, hacer contacto con nuevos propietarios-operadores … y comprender realmente cuáles son los objetivos de su misión».

No se puede exagerar el deseo de reducir o eliminar las colisiones. Si bien se está trabajando para mejorar la precisión del cálculo del impacto físico de los objetos que chocan en el espacio, Gruntman dice que las bases de datos experimentales son limitadas y es probable que persistan grandes incertidumbres porque en caso de una colisión entre una pieza de escombros espaciales y un satélite o una nave espacial, «el campo de escombros / fragmentos depende significativamente del diseño de una nave espacial en particular». McKissock agrega que, si bien el aumento de la potencia de cálculo disponible también puede ayudar a predecir dónde y cuándo los satélites pueden regresar a la Tierra, «tener información precisa sobre la nave espacial que regresa, así como un modelo confiable de densidad atmosférica, también son factores clave para las predicciones de reentrada precisas». «

Para ayudar en el análisis de las posibles conjunciones de un número tan grande (y creciente) de objetos, el 18^th SPCS está implementando cada vez más tecnología de aprendizaje automático para automatizar el seguimiento de objetos, así como la predicción de conjunciones entre objetos, por lo que las evaluaciones de conjunciones se pueden administrar sin abrumar a los recursos humanos. Los datos de altitud, velocidad y trayectoria orbital de los satélites y otros objetos que orbitan la Tierra (o que se salen de la órbita) se introducen en un algoritmo que puede aprender y predecir futuras conjunciones cercanas.

Sin embargo, no son solo las agencias gubernamentales las que pueden desempeñar un papel en la gestión del tráfico espacial. La compañía canadiense NorthStar Earth & Space planea lanzar una constelación de 12 satélites equipados con sensores ópticos para monitorear objetos espaciales en órbita terrestre baja, con el lanzamiento inicial de tres satélites el próximo año y el resto para 2024. La compañía probablemente usará un Modelo de ingresos basado en suscripción, que cobra a las organizaciones por acceder a los datos de tráfico y colisiones. Sin embargo, como se trata de una entidad comercial, es poco probable que cualquier operador que no desee mover su equipo en órbita se vea obligado a hacerlo.

Aún así, el mayor problema para cualquier organización que rastrea objetos en el espacio es no administrar satélites activos o equipos en órbita; No hay ningún beneficio en tener algo hecho añicos si es posible reposicionar un satélite o una estación espacial. Los desechos espaciales o la basura que no se puede controlar es la principal preocupación, dada la posible reacción en cadena de una colisión, dice Sorice.

«Cuando hablamos de miles de piezas de escombros que se mueven a 27.000 kilómetros por hora y que potencialmente crean efectos en cadena dentro de ese régimen orbital, eso es lo que me mantiene despierto por la noche y nos aseguramos de hacer todo lo posible para prevenir este escenario». Dice Sorice. «Debido a que esos fragmentos de escombros no tienen agendas políticas, simplemente están siguiendo las leyes de la física en ese momento. Es necesario mantener el poder de cálculo para poder predecir hacia dónde irán esos fragmentos y qué los activos están en peligro «.

Otras lecturas

Desechos espaciales y naves espaciales humanas, Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio, 26 de septiembre de 2013, https://www.nasa.gov/mission_pages/station/news/orbital_debris.html

Datos de seguimiento de objetos en tiempo real www.Space-track.org

La verdad sobre los desechos espaciales, ingeniería real, https://www.youtube.com/watch?v=itdYS9XF4a0

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