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Jul 08, 2023

Los rayos del tractor espacial pueden no ser materia de ciencia

1 de junio de 2023 Este artículo

1 de junio de 2023

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por Daniel Strain, Universidad de Colorado en Boulder

El 10 de febrero de 2009, ocurrió un desastre a cientos de millas sobre la península de Siberia. Esa noche, un satélite ruso desaparecido que orbitaba la Tierra se estrelló contra un satélite de comunicaciones llamado Iridium 33 que se movía a una velocidad de miles de millas por hora. Ambas naves estallaron en una lluvia de metralla, enviando más de 1.800 fragmentos de escombros en espiral alrededor del globo.

Ninguna otra nave espacial (o humanos) resultó dañada, pero para muchos ingenieros aeroespaciales, el evento fue una señal de lo que vendría. El espacio, al parecer, se estaba llenando.

La NASA estima que alrededor de 23,000 pedazos de escombros del tamaño de una pelota de béisbol o más grandes actualmente giran en el espacio. Toda esa basura significa que otra colisión como la que destruyó Iridium 33 es cada vez más probable cada año, solo que esta vez, las consecuencias podrían ser mucho peores.

"El problema con los desechos espaciales es que una vez que tienes una colisión, estás creando aún más desechos espaciales", dijo Julian Hammerl, estudiante de doctorado en ciencias de ingeniería aeroespacial en CU Boulder. "Tiene una mayor probabilidad de causar otra colisión, lo que creará aún más escombros. Hay un efecto de cascada".

Hammerl y un equipo dirigido por el profesor Hanspeter Schaub tienen un plan para detener esas cascadas antes de que comiencen. Los investigadores se están basando en uno de los tropos más antiguos de la ciencia ficción: rayos tractores como los que utiliza Starship Enterprise para apartar asteroides de forma segura.

Imagínese esto: en un futuro no muy lejano, una flota de pequeñas naves espaciales podría dar la vuelta a la Tierra y encontrarse con trozos de metal muertos en una órbita geosincrónica alrededor del planeta. Luego, utilizando dispositivos llamados "rayos de electrones", estos camiones de basura espaciales transportarían lentamente esos desechos a un lugar seguro sin tener que tocarlos nunca, todo gracias al mismo tipo de física que hace que los calcetines se peguen a los pantalones en la secadora.

"Estamos creando una fuerza electrostática atractiva o repulsiva", dijo Schaub, presidente del Departamento de Ciencias de Ingeniería Aeroespacial de Ann y HJ Smead. "Es similar al rayo tractor que ves en Star Trek, aunque no tan poderoso".

Primero, Schaub y sus colegas deben resolver una serie de desafíos, que han descrito en numerosos estudios recientes. Los investigadores, por ejemplo, están empleando una nueva instalación para replicar el entorno sorprendentemente complejo alrededor de la Tierra. También están poniendo su mirada en cómo los rayos tractores podrían algún día eliminar los escombros de la región del espacio entre la Tierra y la Luna.

"Tocar cosas en el espacio es muy peligroso. Los objetos se mueven muy rápido y, a menudo, de manera impredecible", dijo Kaylee Champion, estudiante de doctorado que trabaja con Schaub. "Esto podría abrir muchas vías más seguras para dar servicio a las naves espaciales".

Champion y sus colegas investigadores están explorando esas vías ahora desde un laboratorio con vista a Flatirons en el campus este de la universidad.

Un puñado de estudiantes se apiña alrededor de un cilindro del tamaño de un barril de whisky. Está hecho de una gruesa capa de acero inoxidable con varias ventanas en forma de ojo de buey para mirar dentro. Esta cámara de vacío, llamada Laboratorio de carga electrostática para interacciones entre plasma y naves espaciales (ECLIPS), está abierta en su base ahora. Pero con el zumbido de un motor, el cilindro desciende lentamente hasta que se cierra.

Pronto, una bomba comenzará a despresurizar la cámara. En aproximadamente un día, no quedará aire en el interior: una pequeña bolsa de espacio justo en el medio de Boulder. Schaub y su equipo diseñaron la cámara ellos mismos y es diferente a cualquier otra instalación de investigación en el país.

Este espacio en miniatura ocupa un lugar central en los experimentos del grupo con tractores electrostáticos. En el interior, el grupo puede replicar el entorno alrededor de la Tierra, que no está vacío sino que, en cambio, está inundado de un gas delgado de electrones libres y átomos cargados llamado plasma. El grupo puede incluso simular escombros en esta cámara usando cubos o formas más complejas hechas de metal.

Hoy, los investigadores están tratando de imitar las condiciones en lo que Schaub llamó un "parche de bienes raíces caro" en el espacio.

La órbita geosíncrona de la Tierra, o "GEO", comienza a unas 22,000 millas de la superficie del planeta, un largo viaje desde la órbita terrestre baja, o "LEO", donde Iridium 33 encontró su desaparición. Allí puede encontrar algunos de los satélites más caros jamás construidos: naves espaciales militares y de telecomunicaciones que alcanzan el tamaño de autobuses escolares y pesan más de una tonelada.

"GEO es como el Bel Air del espacio", dijo Schaub.

También se está llenando. Los ingenieros estiman que hay alrededor de 180 lugares potenciales de estacionamiento orbital geosincrónico donde los satélites pueden colarse. Todos ellos han sido reclamados o ya están ocupados.

Los rayos tractores, dijo Schaub, pueden ser capaces de mover con seguridad las viejas naves espaciales fuera del camino, dejando espacio para la próxima generación de satélites.

Para Hammerl, el proyecto de investigación es uno con el que no podría haber soñado cuando era un joven estudiante en su ciudad natal de Viena, Austria. Hammerl estudió ingeniería mecánica como estudiante universitario, pero se mudó a Boulder para realizar un posgrado y seguir su pasión por la exploración espacial. (Austria no tiene su propio programa espacial).

Cuando llegó, no tenía idea de cuán compleja podría ser esta extensión aparentemente vacía.

En un sentido simple, explicó, el concepto del equipo para un "tractor electrostático" funciona un poco como frotar un globo en la cabeza para poner los pelos de punta. Primero, un barco de servicio se acercaría a un satélite abandonado desde una distancia de unos 15 a 25 metros (49 a 89 pies), luego lo eliminaría con un haz de electrones. Esos electrones le darían a los desechos espaciales una carga negativa, mientras que harían que el servidor fuera más positivo.

Como dice el adagio, los opuestos se atraen.

"Con esa fuerza de atracción, básicamente puedes tirar de los escombros sin siquiera tocarlos", dijo Hammerl. "Actúa como lo que llamamos una atadura virtual".

Parece funcionar, también. Basándose en experimentos en ECLIPS y modelos informáticos, los investigadores calculan que un tirón electrostático podría tirar de un satélite que pesa varias toneladas unas 200 millas en dos o tres meses. Ese es un ritmo lento, pero lo suficientemente bueno como para eliminar lo que son esencialmente pisapapeles glorificados de las preciosas ranuras orbitales.

Los científicos han propuesto otras estrategias para eliminar los escombros de la órbita, como capturar satélites descarriados con arpones. Pero todos esos enfoques requieren entrar en contacto directo con la basura.

En la práctica, sin embargo, el uso real de un rayo tractor en el espacio está plagado de complicaciones.

Para empezar, los satélites fuera de servicio generalmente no se quedan quietos e incluso pueden dar vueltas violentamente por el espacio. En estudios, Schaub y sus estudiantes han demostrado que si golpea estos trozos de metal con un pulso rítmico de electrones, en lugar de un haz constante, puede ralentizar potencialmente su rotación, lo que hace que los satélites sean seguros para alejarlos o incluso acercarse a ellos. para hacer reparaciones.

El equipo también ha comenzado a pensar en una región del espacio donde hoy residen pocas piezas de escombros, pero está a punto de estar mucho más ocupada: el espacio "cislunar", o la zona entre la Tierra y su luna. Aquí, las condiciones pueden volverse realmente salvajes.

Champion explicó que el sol expulsa una corriente casi constante de plasma, conocida como viento solar. Fuera del campo magnético protector de la Tierra, ese entorno de plasma puede volverse impredecible. Los vehículos que se elevan pueden perturbar el flujo de plasma y generar una estela de iones detrás de ellos, casi como un velero surcando el agua. Esas estelas podrían, a su vez, afectar el rendimiento de un tractor electrostático.

"Eso es lo que hace que esta tecnología sea tan desafiante", dijo Champion. "Tienes entornos de plasma completamente diferentes en la órbita terrestre baja, en comparación con la órbita geosincrónica y alrededor de la luna. Tienes que lidiar con eso".

Para hacer precisamente eso, Champion y sus compañeros de laboratorio han mejorado ECLIPS con una "pistola de iones", un dispositivo que puede crear corrientes rápidas de iones de argón dentro de la cámara.

Ella espera que su trabajo algún día pueda ayudar a los esfuerzos de la NASA a través de su Programa Artemis para enviar humanos de regreso a la luna y, desde allí, incluso más allá.

“Una vez que volvamos a llevar a la gente a la luna, será un trampolín para viajar a Marte”, dijo Champion.

Schaub señaló que los rayos de tractores espaciales podrían no ser parte de la ciencia ficción por mucho tiempo. Con la financiación adecuada, predice que su equipo estaría listo para lanzar un prototipo de tractor electrostático al espacio en solo cinco a 10 años.

"Lo emocionante de esta tecnología es que la misma embarcación de servicio podría mover dos o tres o incluso docenas de objetos durante su vida útil. Eso reduce los costos", dijo Schaub. "Nadie quiere gastar mil millones de dólares para mover la basura".

Proporcionado por la Universidad de Colorado en Boulder