Una nueva tecnología láser para 'ver' basura en órbita indetectable y 'empujarla' para evitar colisiones

La Agencia Espacial Europea pone grandes esperanzas en el láser como herramienta para combatir la mayor amenaza actual más allá de la estratosfera: la basura espacial que orbita nuestro planeta. Utilizará la luz amplificada para 'ver' y controlar los restos e incluso 'empujarlos' para evitar colisiones.

En ese sentido, la ESA define la basura espacial como "objetos artificiales no funcionales, completos o en fragmentos, que se encuentran en órbita o reentrando en la atmósfera". La explicación añade que este tipo de objetos de origen humano son dominantes en el cinturón de desechos que sobrevuela la Tierra, "excepto en los que tienen un tamaño de milímetros", que en su mayoría son restos de meteoroides.

Esos restos de pequeño tamaño no son un riesgo despreciable. Según las estimaciones de ESA, hay unos 6.000 en órbita con un tamaño en torno a un metro. En el rango de 10 centímetros hay unos 34.000. Entre 1 y 10 centímetros son 900.000. Y de un milímetro a un centímetro, unos 150 millones. De menos de un milímetro son incontables.

Hay que considerar que en la actualidad sólo un 46% de los satélites en órbita está en activo. 2.656 de 5.774, según el índice de la oficina para asuntos del espacio exterior de Naciones Unidas.

Sólo un 46% de los satélites en órbita está en activo

Del peligro que suponen los objetos más pequeños, prácticamente indetectables, da cuenta Holger Krag, responsable de la oficina de restos espaciales de ESOC (el centro de operaciones de ESA en Darmstadt, Alemania), durante la octava conferencia sobre basura espacial convocada por la Agencia.

"El Sentinel 1A, que es una de las naves más grandes que tenemos, sufrió el impacto de un objeto de dos milímetros en la parte trasera de sus paneles solares, produciéndose un daño de unos 40 centímetros de diámetro. El objeto era demasiado pequeño para [detectarlo y] eludirlo. Pero los fragmentos desprendidos por el impacto sí eran lo bastante grandes para hacer seguimiento y produjeron alertas con otros artefactos, incluida nuestra flota de ESA", explica Krag.

Choque en el espacio

Esa detección, imposible con los pequeños, a la que se refiere es la que se hace desde instalaciones de vigilancia para ir construyendo el 'catálogo de objetos espaciales', que controla ya unas 28.000 piezas, equivalentes a 8.500 toneladas de chatarra voladora.

En los últimos años la cantidad de basura se ha incrementado continuamente, con un salto significativo en 2007, producto de pruebas antisatélite realizadas por China, y otro en 2009, por la colisión entre un satélite ruso Cosmos y otro de la constelación Iridium, a una velocidad relativa de 11,7 kilómetros por segundo.

Hay controladas unas 28.000 piezas de basura espacial, equivalentes a 8.500 toneladas de 'chatarra voladora'

El gran desafío son los objetos de menos de 5 centímetros. Para los que son de mayor tamaña en órbita LEO (baja), y los que tienen más de medio metro en la órbita GEO (geoestacionaria, a 36.000 kilómetros de altura), "hay un poderoso sistema de vigilancia", que combina esfuerzos de Estados Unidos y Europa con la investigación científica para tener toda la información precisa y conocer su órbita.

Con los más pequeños, la ESA está empezando a hacer al menos recuentos estadísticos y utiliza sendos detectores en las órbitas LEO y GEO. Aún así, los objetos en torno a un milímetro no pueden ser detectados ni desde tierra ni con esos sistemas orbitales.

Objetos en el espacio a una escala de un milímetro. ESA

En la actualidad se usan radares y telescopios para tratar de conseguir algún control de los residuos y Krag confiesa que le "gustaría lanzar un sensor óptico, capaz de ver a distancias entre 100 y 200 kilómetros, lo que permitiría ver incluso, por primera vez, elementos de tamaño milimétrico".

Aquí es donde entra en juego el láser como una herramienta que puede 'iluminar' una parte oscura del control de piezas incontroladas.

El sistema consiste en enviar rayos láser en acción combinada con un telescopio, que detecta su rebote en los objetos sólidos.

El láser puede iluminar una parte oscura del control de piezas incontroladas

"La utilización del láser era cosa de la comunidad científica. Los satélites que ellos observaban llevan espejos reflectantes. Pero eso está cambiando y empieza a ser posible aplicarlo a objetivos que 'no cooperan', chatarra que no lleva espejos para reflejar el láser…", informa Krag.

"El truco consiste en poder enviar cientos de pulsos, tal vez miles, por segundo, para asegurarnos de que al menos uno o dos de ellos 'vuelvan' al telescopio", señala.

De esta manera, "los objetivos se reflejan aleatoriamente, pero manejándolo adecuadamente se puede apreciar no sólo la dimensión, sino también la rotación de un resto concreto, lo que aporta valiosa información sobre la tendencia de su movimiento", explica Krag, mostrando una gráfica obtenida sobre el movimiento de los restos de la etapa superior de un cohete.

Es una tecnología todavía en desarrollo que, para ofrecer resultados sistemáticos y "mantener la información de alta calidad actualizada", requiere conectar varias estaciones de láser, que trabajen de manera coordinada "dándose el relevo desde cada estación a la siguiente".

"Eso significa que tienes que hacer observación continuada todo el tiempo, lo que requiere que los objetos puedan ser vistos por el láser incluso con la luz diurna", detalla.

"Y en eso, desde hace unos meses se ha conseguido un gran avance con centros de investigación europeos, que ofrecen prometedores resultados y nos hacen pensar con optimismo que en pocos años podremos tener información láser muy ajustada para una parte del catálogo".

No es un arma láser

Krag especifica para D+I que "algunas de las instituciones europeas implicadas en el seguimiento láser de objetivos 'no cooperantes' son el Instituto de Investigación Espacial de la Academia Austriaca de Ciencias (IWF, Graz Austria, Institut für Weltraumforschung, ÖAW) y el Instituto Astronómico de Berna, Suiza (AIUB)".

Añade que "hay otras entidades comprometidas y estamos a punto de lanzar una convocatoria de propuestas, para establecer contratos de I+D con instituciones europeas".

Hoja de ruta del sistema de láser propuesto por la ESA.

"Pero nuestros sueños van más allá", prosigue. "Si la potencia se incrementa, eso también aumentará la presión de la luz sobre el objetivo, produciendo una fuerza capaz de moverlo levemente".

"No estoy hablando de un arma láser", previene el directivo de ESOC. "Hablo de que con unos cuantos kilovatios más y si la densidad de la luz láser que llega al objetivo alcanza, quizás, un kilovatio por metro cuadrado, eso exactamente la presión que aplica la radiación solar. Bien dirigida, y al cabo de unos minutos, puede ser suficiente para producir un 'delta-V' [en física, un cambio de velocidad] de uno o dos milímetros por segundo, lo que no alterará mucho su órbita, pero puede cambiarla lo suficiente para evitar una colisión".

No estamos hablando de un arma láser, sino de cambiar la órbita del objeto lo suficiente para evitar una colisión

Respondiendo a D+I, Krag aclara que esta investigación no se ha limitado a un trabajo teórico: "Para la transferencia de impulso basada en láser, (presión ligera para la desviación de la órbita), hemos realizado ya un primer análisis de viabilidad con DLR [la Agencia Espacial Alemana] en Stuttgart".

"La siguiente fase de nuestro programa debe seguir con más pasos de I+D, y a continuación, idealmente, una demostración si contamos con el apoyo de nuestros estados miembros", concreta sin dar plazos específicos.

La práctica más habitual ahora, cuando se detecta un riesgo de colisión, es una maniobra de evasión del satélite amenazado, utilizando sus propulsores. Pero eso resulta muy costoso, en combustible y esfuerzo operativo. Los satélites llevan una carga limitada de combustible.

Y lo que es casi peor, es la falta de certeza sobre los riesgos reales. En el Centro de Control de la ESA "se procesan cada día cientos de advertencias de posible colisión, que resultan ser falsas alarmas. Hacemos una maniobra de evasión aproximadamente cada dos semanas".

Telescopios robóticos

Para aplicar la nueva tecnología de observación y control hará falta usar telescopios robóticos, operados en remoto. Una actividad en la que la ESA aporta tecnología y software propios incluso para instalaciones de terceros. El año pasado instaló en Chile su primer telescopio "de medio metro".

También se requerirá el uso de inteligencia artificial, para automatizar los procesos y mantenerlos en actividad de manera continuada, 24 horas al día. La ESA percibe que en este campo puede haber también un interesante "nicho de negocio" para empresas.

Krag subraya que una parte fundamental en el desafío que plantean los desechos espaciales es el creciente tráfico de vehículos espaciales y la proliferación de fragmentos.

La ESA instaló en Chile su primer telescopio 'de medio metro'

Según el director general de ESA, Josef Aschbacher, la previsión es que el despliegue de las grandes constelaciones de satélites añada un millar de artefactos al año a las congestionadas órbitas en uso durante los próximos tiempos.

Buena parte de los nuevos vehículos deberían incluir un sistema autónomo de 'desorbitación', para el momento en que dejen de estar operativos. El propósito de la ESA es "invertir la contribución europea a la basura espacial en 2030", afirma Aschbacher. Es decir, retirar más restos de los que produzca.

En 2025 está previsto el lanzamiento de la primera misión del programa Clean Space, en la que un artefacto de la startup suiza ClearSpace intentará sacar de órbita una pieza de 112 kilos de un cohete Vega.