Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. La publicación contribuyó con el artículo a Expert Voices: Op-Ed & Insights de Space.com.
Hay alrededor de 15.000 satélites orbitando la Tierra. La mayoría de ellos, como la Estación Espacial Internacional y el Telescopio Hubble, residen en una órbita terrestre baja, o LEO, que alcanza un máximo de aproximadamente 2.000 kilómetros (1.200 millas) sobre la superficie de la Tierra.
Pero a medida que se lanzan más y más satélites a LEO (la constelación de Internet Starlink de SpaceX por sí sola eventualmente enviará muchos miles más allí), la región se está saturando un poco.
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Por eso es una suerte que exista otra órbita, incluso más cercana a la Tierra, que promete ayudar a aliviar el hacinamiento. Se llama VLEO, u órbita terrestre muy baja, y se encuentra a sólo 60 a 250 millas (100 a 400 kilómetros) sobre la superficie de la Tierra.
Como ingeniero y profesor que está desarrollando tecnologías para extender la presencia humana más allá de la Tierra, puedo decirles que los satélites en órbita terrestre muy baja, o VLEO, ofrecen ventajas sobre los satélites de mayor altitud. Entre otros beneficios, los satélites VLEO pueden proporcionar imágenes de mayor resolución, comunicaciones más rápidas y mejores ciencias atmosféricas. Divulgación completa: también soy cofundador y copropietario de Victoria Defense, que busca comercializar VLEO y otras tecnologías de energía espacial dirigida.
Ventajas de VLEO
Las imágenes de los satélites de órbita terrestre muy baja son más nítidas porque simplemente ven la Tierra con mayor claridad que los satélites que están más arriba, algo así como acercarse a una pintura ayuda a verla mejor. Esto se traduce en imágenes de mayor resolución para fines de agricultura, ciencia climática, respuesta a desastres y vigilancia militar.
La comunicación de un extremo a otro es más rápida, lo que es ideal para comunicaciones en tiempo real, como servicios telefónicos e Internet. Aunque las señales siguen viajando a la misma velocidad, no tienen que llegar tan lejos, por lo que la latencia disminuye y las conversaciones se desarrollan con mayor fluidez.
Gran parte de los pronósticos meteorológicos se basan en imágenes de nubes sobre la Tierra, por lo que tomar esas fotografías más cerca significa mayor resolución y más datos para pronosticar.
Debido a estos beneficios, las agencias gubernamentales y la industria están trabajando para desarrollar satélites en órbita terrestre muy baja.
El atraco: resistencia atmosférica
Quizás se pregunte por qué esta región del espacio, hasta ahora, se ha evitado para operaciones satelitales sostenidas. Es por una razón importante: la resistencia atmosférica.
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A menudo se piensa que el espacio es un vacío. Entonces, ¿dónde comienza exactamente el espacio? Aunque se considera que el punto de partida es aproximadamente 100 kilómetros (62 millas) de altura, conocida como la línea von Kármán, no existe una transición difícil donde el espacio comienza repentinamente. En cambio, a medida que nos alejamos de la Tierra, la atmósfera se adelgaza.
Mirar
Dentro y por debajo de una órbita terrestre muy baja, la atmósfera de la Tierra todavía es lo suficientemente espesa como para ralentizar los satélites, lo que hace que los que se encuentran en las altitudes más bajas salgan de órbita en semanas o incluso días, esencialmente quemándose a medida que caen de regreso a la Tierra. Para contrarrestar esta resistencia atmosférica y permanecer en órbita, el satélite debe impulsarse constantemente hacia adelante, de la misma manera que andar en bicicleta contra el viento requiere pedalear continuamente.
Para la propulsión en el espacio, los satélites utilizan varios tipos de propulsores, que proporcionan el empuje necesario para evitar que se desacelere. Pero en VLEO, los propulsores deben estar encendidos todo o casi todo el tiempo. Como tal, los propulsores convencionales se quedarían rápidamente sin combustible.
Afortunadamente, la atmósfera de la Tierra en VLEO todavía es lo suficientemente espesa como para que la atmósfera misma pueda usarse como combustible.
Tecnologías de propulsión innovadoras
Ahí es donde entra mi investigación. En Penn State, en colaboración con Georgia Tech y financiado por el Departamento de Defensa de EE. UU., nuestro equipo está desarrollando un nuevo sistema de propulsión diseñado para funcionar a entre 43 y 55 millas (70 a 90 kilómetros) de altura. Técnicamente, estas altitudes están incluso por debajo de una órbita terrestre muy baja, lo que hace que el desafío de superar la resistencia sea aún más difícil.
Nuestro enfoque recolecta la atmósfera usando una pala, como abrir bien la boca mientras pedaleas una bicicleta, y luego usa microondas de alta potencia para calentar la atmósfera recolectada. Luego, el gas calentado se expulsa a través de una boquilla que empuja al satélite hacia adelante. Nuestro equipo llama a este concepto propulsor de plasma de microondas que respira aire. Hemos podido demostrar un prototipo de propulsor en el laboratorio dentro de una cámara de vacío que simula la presión atmosférica encontrada a 50 millas (80 km) de altura.
Este enfoque es relativamente simple, pero tiene potencial, especialmente en altitudes más bajas donde la atmósfera es más espesa. Más arriba, donde la atmósfera es más delgada, las naves espaciales podrían utilizar diferentes tipos de propulsores VLEO que otros están desarrollando para cubrir grandes rangos de altitud.
Nuestro equipo no es el único que trabaja en tecnología de propulsores. Sólo un ejemplo: el Departamento de Defensa de Estados Unidos se ha asociado con el contratista de defensa Red Wire para desarrollar Otter, un satélite VLEO con su versión de tecnología de propulsor que respira la atmósfera.
Otra opción para mantener un satélite en VLEO, que aprovecha una tecnología en la que he trabajado a lo largo de mi carrera, es vincular un satélite en órbita inferior a un satélite en órbita superior con una correa larga. Aunque la NASA nunca ha hecho volar un sistema de este tipo, la misión propuesta para seguir a las misiones del sistema de satélites Tether realizadas en la década de 1990 era dejar caer un satélite a una órbita mucho más baja desde el transbordador espacial, conectado con una correa muy larga. Actualmente estamos revisando ese sistema para ver si podría funcionar para VLEO en una forma modificada.
Otras complicaciones
Superar la resistencia, aunque es el más difícil, no es el único desafío. Los satélites de órbita terrestre muy baja están expuestos a niveles muy altos de oxígeno atómico, que es una forma de oxígeno altamente reactiva que corroe rápidamente la mayoría de las sustancias, incluso los plásticos.
Los materiales del satélite también deben soportar temperaturas extremadamente altas, superiores a 2.732 grados Fahrenheit (1.500 grados Celsius), porque la fricción lo calienta a medida que avanza a través de la atmósfera, un fenómeno que ocurre cuando todas las naves espaciales reingresan a la atmósfera desde su órbita.
El potencial de estos satélites está impulsando la investigación y la inversión, y las misiones propuestas se han hecho realidad. La investigación de Juniper estima que se invertirán 220 mil millones de dólares sólo en los próximos tres años. Pronto, su Internet, sus pronósticos meteorológicos y su seguridad podrían ser aún mejores gracias a los satélites VLEO.