Hay alrededor de 15,000 satélites orbitando la Tierra. La mayoría, como la Estación Espacial Internacional y el Telescopio Hubble, se encuentran en órbita terrestre baja (LEO), que alcanza un máximo de unos 2,000 kilómetros sobre la superficie terrestre.
Pero a medida que se lanzan más satélites a LEO (la constelación de internet Starlink de SpaceX enviará miles más), la región se está saturando.
Por eso es una suerte que exista otra órbita, aún más cercana a la Tierra, que promete ayudar a aliviar la saturación. Se llama VLEO (órbita terrestre muy baja), y se encuentra a tan solo 100-400 kilómetros sobre la superficie terrestre.
Como ingeniero y profesor que desarrolla tecnologías para extender la presencia humana más allá de la Tierra, puedo asegurarles que los satélites en órbita terrestre muy baja (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 una mejor ciencia atmosférica. Cabe aclarar que también soy cofundador y copropietario de Victoria Defense, empresa que busca comercializar VLEO y otras tecnologías de energía dirigida al espacio.
Ventajas de VLEO
Las imágenes de los satélites en órbita terrestre muy baja son más nítidas porque simplemente ven la Tierra con mayor claridad que los satélites ubicados a mayor altitud, de forma similar a como acercarse a un cuadro ayuda a verlo mejor. Esto se traduce en imágenes de mayor resolución para fines agrícolas, climáticos, respuesta a desastres y vigilancia militar.
La comunicación de extremo a extremo es más rápida, lo cual es ideal para las comunicaciones en tiempo real, como las de telefonía e internet. Aunque las señales siguen viajando a la misma velocidad, no tienen que recorrer tanta distancia, por lo que la latencia disminuye y las conversaciones se realizan con mayor fluidez.
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Gran parte de la predicción meteorológica se basa en imágenes de nubes sobre la Tierra, por lo que tomar esas imágenes más cerca significa mayor resolución y más datos para predecir.
Debido a estos beneficios, las agencias gubernamentales y la industria están trabajando para desarrollar satélites en órbita terrestre muy baja.
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El obstáculo: Resistencia atmosférica
Quizás se pregunte por qué esta región del espacio se ha evitado hasta ahora para las operaciones satelitales sostenidas. La razón principal es la resistencia atmosférica.
A menudo se piensa que el espacio es un vacío. Entonces, ¿dónde comienza exactamente el espacio? Aunque se considera ampliamente que el punto de partida es a unos 100 kilómetros de altura (la línea de von Kármán), no existe una transición abrupta donde el espacio comience repentinamente. En cambio, a medida que nos alejamos de la Tierra, la atmósfera se vuelve más delgada.
En órbitas terrestres muy bajas y por debajo de ellas, la atmósfera terrestre aún es lo suficientemente densa como para ralentizar los satélites, lo que provoca que los que se encuentran en las altitudes más bajas salgan de órbita en semanas o incluso días, quemándose al caer de vuelta a la Tierra. Para contrarrestar esta resistencia atmosférica y mantenerse en órbita, el satélite debe impulsarse constantemente hacia adelante, de forma similar a como se pedalea continuamente al ir en bicicleta contra el viento.
Para la propulsión espacial, los satélites utilizan diversos tipos de propulsores, que proporcionan el empuje necesario para evitar la desaceleración. Pero en VLEO, los propulsores deben estar encendidos todo el tiempo, o casi todo el tiempo. Por lo tanto, los propulsores convencionales agotarían rápidamente el combustible.
Afortunadamente, la atmósfera terrestre en VLEO aún es lo suficientemente densa como para que la atmósfera misma pueda usarse como combustible.
Tecnologías innovadoras de propulsores
Aquí es donde entra mi investigación. En Penn State, en colaboración con Georgia Tech y con financiación del Departamento de Defensa de EU, nuestro equipo está desarrollando un nuevo sistema de propulsión diseñado para funcionar a una altitud de entre 70 y 90 kilómetros. Técnicamente, estas altitudes están incluso por debajo de la órbita terrestre muy baja, lo que dificulta aún más el desafío de superar la resistencia.
Nuestro método recolecta la atmósfera utilizando una pala, como si abrieras la boca al pedalear en bicicleta, y luego utiliza microondas de alta potencia para calentar la atmósfera recolectada. El gas calentado se expulsa a través de una boquilla, que impulsa el satélite hacia adelante. Nuestro equipo denomina a este concepto propulsor de plasma de microondas de respiración de aire. Hemos podido demostrar un prototipo de propulsor en el laboratorio, dentro de una cámara de vacío que simula la presión atmosférica a 80 km de altitud.
Este enfoque es relativamente sencillo, pero tiene potencial, especialmente a altitudes más bajas, donde la atmósfera es más densa. A mayor altitud, donde la atmósfera es más tenue, las naves espaciales podrían utilizar diferentes tipos de propulsores VLEO que otros están desarrollando para cubrir amplios rangos de altitud.
Nuestro equipo no es el único que trabaja en tecnología de propulsores. Un ejemplo: el Departamento de Defensa de EU se asoció con la contratista de defensa Red Wire para desarrollar Otter, un satélite VLEO con su versión de tecnología de propulsores de respiración atmosférica.
Otra opción para mantener un satélite en VLEO, que aprovecha una tecnología en la que trabajé a lo largo de mi carrera, es conectar un satélite de órbita baja a uno de órbita alta mediante un cable largo. Aunque la NASA nunca operó un sistema de este tipo, la misión propuesta para dar seguimiento a las misiones con sistemas de satélites de anclaje realizadas en la década de 1990 consistía en lanzar un satélite a una órbita mucho más baja desde el transbordador espacial, conectado mediante un anclaje muy largo. Actualmente estamos revisando ese sistema para determinar si podría funcionar para VLEO en una versión modificada.
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Otras complicaciones
Superar la resistencia aerodinámica, aunque es el desafío más difícil, no es el único. Los satélites en órbita terrestre muy baja están expuestos a niveles muy altos de oxígeno atómico, una forma altamente reactiva de oxígeno que corroe rápidamente la mayoría de las sustancias, incluso los plásticos.
Los materiales del satélite también deben soportar temperaturas extremadamente altas, superiores a 1,500 grados Celsius (2732 grados Fahrenheit), debido a que la fricción los calienta al moverse por la atmósfera, un fenómeno que ocurre cuando todas las naves espaciales vuelven a entrar en la atmósfera desde la órbita.
El potencial de estos satélites impulsa la investigación y la inversión, y las misiones propuestas se han hecho realidad. Juniper Research estima que se invertirán 220,000 millones de dólares en tan solo los próximos tres años. Pronto, su internet, sus pronósticos meteorológicos y su seguridad podrían ser aún mejores gracias a los satélites VLEO.
*Sven Bilén es profesor de Diseño de Ingeniería, Ingeniería Eléctrica e Ingeniería Aeroespacial en Penn State.
