miércoles, 29 de abril de 2015

Satélites y basura espacial (...more rocket science)

"Спу́тник-1"
El primer satélite artificial fue el Sputnik I, lanzado en 1957 por la Unión Soviética. Dese entonces, se han lanzado y puesto en órbita miles de satélites al rededor de la tierra. El ser humano ha estado en órbita regularmente desde 1961, cuando el cosmonauta Soviético Yuri Gagarin circunnavegó la tierra a una altitud de 160 km. Al año siguiente el primer norteamericano fue puesto en órbita.

¿Que es lo que mantiene a los satélites allí arriba sin caerse? Bueno, la verdad es que están cayendo. Pero lo hacen, al igual que la luna, con una tasa de caída que finalmente les hace dar vueltas alrededor de la tierra en una órbita estable. Vamos a discutir un poco más sobre estas órbitas, para ello vamos a despreciar el rozamiento de la atmósfera, la cual es la causante final de que todos los satélites acaben cayendo a la tierra. Si, porque aunque no lo parezca, la atmósfera se extiende hasta una gran distancia. Por poner un ejemplo, los satélites de posicionamiento global GPS, que orbitan a unos 20.200 km sufren los efectos del rozamiento de la atmósfera y los efectos en el cálculo de la distancia deben de ser corregidos desde tierra.

Como vimos en posts anteiores, cerca de la tierra la fuerza gravitacional que se ejerce sobre cualquier objeto es el producto de su masa por la gravedad (mg). Para poder tener un movimiento circular uniforme alrededor de la tierra, esta fuerza debe de ejercerse en el objeto dotándolo de una fuerza centrípeta igual a mv^2/r. Por tanto la condición para poder mantener una órbita estable debe de ser mg = mv^2/r, de esta forma la velocidad del satélite debe de ser;


Si llamamos g sub cero al valor de la aceleración de la gravedad en la superficie de la tierra, donde el radio "r" es igual a "re", podremos conocer cual es la aceleración de la gravedad a cualquier distancia o radio "r" empleando la fórmula:

Usando las dos fórmulas anteriores, podemos ahora calcular la velocidad de un satélite que se encuentre a una distancia "r".

Para una órbita circular teórica a ras de suelo aquí en la tierra, la velocidad sería v sub cero:

Lo que equivale a unos 28.400 km/h. Cualquier cosa que se lanzara tangencialmente a ras de suelo en la superficie terrestre a esta velocidad se convertiría en un satélite circulando la tierra. Si se lanzara a una velocidad mayor, la órbita sería elíptica en vez de circular.
Dependiendo de su velocidad, un objeto lanzado horizontalmente sobre la tierra, podría caer de nuevo, girar en una órbita circular, girar en una órbita elíptica o escapar permanentemente de la tierra hacia el espacio exterior.

Si un objeto tiene velocidad suficiente, podría escapar de la tierra permanentemente. El grado exacto es en realidad la raíz cuadrada de 2 o 2^0,5. Así que la velocidad de escape de la tierra es (2v0)^0,5 = 11,2 x 10^3 m/s.

Basura espacial junto con satélites operacionales
Un satélite puede ser posicionado en cualquier órbita circular del radio que queramos siempre que disponga de un pequeño motor cohete que le pueda proporcionar el impulso necesario a la altitud adecuada. Desde Octubre de 1957 se han lanzado unos 6.600 satélites, de los cuales siguen allí arriba unos 3.600 de ellos solo 1000 están operativos. Existen montañas de desechos espaciales. Unos 21.000 objetos de más de 10 cm orbitan la Tierra. Se estima que hay otros 500.000 trozos y piezas de entre 1 y 10 cm de tamaño.

Las órbitas de los satélites que todavía quedan operacionales van de desde los 160 km a los 35.900 km sobre nuestras cabezas. Los satélites en órbitas más bajas se emplean principalmente para la observación de la superficie terrestre con propósitos científicos (meteorológicos, reservas de la tierra, contaminación, etc.) y militares. Algunos satélites permanecen orbitando el ecuador terrestre con un periodo exacto de un 1 día, esto quiere decir que se encuentran en una posición fija sobre la tierra y reciben el nombre de geoestacionarios. Los satélites geoestacionarios pueden observar un tercio del planeta. Cientos de satélites geoestacionarios se encuentran ahora mismo en órbita para proveernos de comunicaciones de radio, Internet, radiotelefonía transcontinental, emisiones de TV, etc, etc. Los satélites artificiales obtienen la energía eléctrica necesaria para sus equipos de abordo gracias a las células fotoeléctricas de sus paneles solares.

Algunas funciones no muy conocidas de los satélites de posicionamiento global del tipo GPS, son las relacionadas con sus aplicaciones militares. No se debe de olvidar que estos satélites son militares, aunque se nos permita su uso. Existen frecuencias específicas que son de uso reservado para lograr posicionamientos con errores de pocos cm. Los norteamericanos y sus aliados pueden aprovechar estos datos para múltiples propósitos estratégicos. Otra de las peculiaridades de estos satélites es que están diseñados para poder captar las ondas producidas por los pulsos electromagnéticos que se generan en una explosión nuclear. De esta manera Norteamérica mantienen un férreo control sobre cualquier prueba atómica que cualquier país pueda llevar a cabo. Pueden saber, no solo la posición exacta de la explosión, sino también su carga en términos de megatones y muchos otros parámetros que definen el tipo de detonación.

En el vídeo se ve cómo orbitan la Tierra los satélites del sistema GPS durante un periodo de 24 horas.

Si hubiera algún tipo de catástrofe global y de repente nos quedáramos sin la posibilidad de controlar los satélites que orbitan la Tierra, la fiabilidad de los receptores GPS empezaría a degradarse al cabo de un par de horas. Esto es debido a que desde tierra se les envían datos para corregir su posición de forma casi continua, y en cuanto dejaran de recibir esas órdenes comenzarían a funcionar en modo automático, acabando «a la deriva» (más chatarra espacial). Aunque por seguridad almacenan unos 60 días de datos de navegación orbital, transcurridas unas 8 a 24 horas los usuarios comenzarían a darse cuenta de fallos muy aparentes a través de sus receptores.

...y para terminar algo de cine y TV relacionados con los satélites.

Para mi gusto la mejor película de intriga que tiene que ver con los satélites es "Estación Polar Zebra" de 1968 rodada en Cinerama. Un autentico peliculón de espionaje y contraespionaje. Una peli de aventuras (...y de submarinos) de toda la vida, con un estupendo Rock Hudson en el papel del Capitán Faraday, comandante de un submarino nuclear norteamericano que debe de enfrentarse a los MiG's que se aproximan por Siberia, con el propósito de recuperar el rollo de película de un satélite espía, averiado y caído en el polo norte. Película de "machotes", no sale ni una sola "tía" ni rollete amoroso. Muy recomendable.




 Otra recomendación sería la famosa "Space Cowboys" sobradamente conocida :)


Y para la chatarra que orbita la tierra, una serie de TV con la que me partía de risa en 1977: "La escoba espacial" El año es el 2222, y Adam Quark es el capitán de la United Galaxy Sanitation Patrol, el camión de la basura del espacio, en la que se encuentra una tripulación especializada que viaja por el espacio realizando las misiones que se les encomienda desde la base estelar de Perma Uno.



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