Rompecabezas de basura
Limpiar el espacio cercano es mucho más difícil de lo que parece a primera vista
El problema de la contaminación del espacio exterior preocupa a toda la comunidad aeroespacial. Tal desarrollo hipotético de eventos en órbita cercana a la Tierra, como el síndrome de Kessler, que predice la formación de desechos espaciales fuera de control, agitó incluso a los medios populares. Está claro que es necesario realizar una investigación básica para comprender el peligro que conlleva incluso un pequeño fragmento, y calcular cuánto estamos dispuestos a pagar por la limpieza del espacio exterior.
Actualmente, los responsables de la formulación de políticas, los científicos, los técnicos y el público en general son profundamente conscientes del problema de la proliferación de desechos espaciales. Gracias al trabajo fundamental de J.K. Liouville y Nicholas Johnson, publicado en 2006, entendemos que es probable que los niveles de contaminación sigan aumentando en el futuro, incluso si cesaran todos los lanzamientos. La razón de este aumento constante son las colisiones que se espera que se produzcan entre satélites y etapas. cohetesya en órbita. Esto preocupa mucho a muchos operadores de satélites, que se ven obligados a tomar medidas adecuadas para proteger sus activos.
Algunos expertos creen que estos incidentes solo serán el comienzo de una serie de colisiones que harán que el acceso a la órbita baja de la Tierra sea casi imposible. Por lo general, este fenómeno, que fue descrito por primera vez en detalle por el consultor de la NASA Donald Kessler, se llama síndrome de Kessler. Pero es probable que la realidad sea muy diferente de predicciones o eventos similares que se muestran en el largometraje Gravity. De hecho, los resultados presentados al Comité Interdepartamental de Coordinación de Desechos Espaciales (IADC, por sus siglas en inglés) en la 6ª Conferencia Europea sobre este tema mostraron un aumento esperado en la cantidad de escombros en solo el 30 durante los años de 200 con lanzamientos ininterrumpidos.
Las colisiones aún ocurrirán, pero la realidad estará lejos del escenario catastrófico que algunos temen tanto. El aumento en la cantidad de desechos espaciales puede reducirse a un nivel bastante modesto. La propuesta de IADC es difundir ampliamente y adherirse estrictamente a las pautas para la prevención de desechos espaciales, especialmente con respecto a la neutralización de las fuentes de energía que deben producirse en su totalidad para el final del vuelo, y su eliminación después del final del vuelo. Sin embargo, desde el punto de vista de la IADC, el aumento esperado en la cantidad de basura, a pesar de los esfuerzos realizados, aún requiere la introducción de medidas adicionales para combatir los factores de riesgo existentes.
No hay progreso?
Se notó un gran interés en la recuperación del entorno espacial nueve años después de la publicación del trabajo de Liouville y Johnson. En particular, se han dado ciertos pasos alrededor del mundo para desarrollar métodos para eliminar objetos de una órbita terrestre baja. La Agencia Espacial Europea, por ejemplo, anunció recientemente su intención de obtener el apoyo del gobierno para desorbitar la nave europea en la próxima década. La agencia ha realizado numerosos estudios para determinar formas racionales y confiables de lograr el objetivo. Un elemento clave de la planificación fueron los modelos informáticos de espacio obstruido, que mostraron que el crecimiento de la población de escombros podría evitarse mediante la eliminación de ciertas naves espaciales o cohetes. En las simulaciones por computadora, estos objetos se identifican como los más susceptibles de colisión, por lo tanto, después de su eliminación de la órbita, el número de colisiones debería disminuir considerablemente, lo que evitaría la aparición de nuevos escombros como resultado de la dispersión de escombros.
Han pasado casi diez años desde la publicación del trabajo de Liouville y Johnson, y es sorprendente que no se hayan presentado principios metodológicos a nivel internacional o nacional que definan claramente las medidas para eliminar las consecuencias de la contaminación del espacio cercano a la Tierra. Parece haber cierta apatía hacia el desarrollo de una metodología de procedimiento de eliminación de basura, a pesar de los llamados a la acción. ¿Pero es realmente?
Pero, de hecho, la situación no es tan simple como parece. Con respecto al procedimiento de eliminación de desechos espaciales, hay algunas preguntas fundamentales que aún no se han respondido. De particular preocupación son las cuestiones relacionadas con la propiedad, la responsabilidad y la transparencia. Por ejemplo, muchas tecnologías propuestas para eliminar escombros también pueden usarse para eliminar o deshabilitar una nave espacial activa. Por lo tanto, uno puede esperar por los cargos que estas tecnologías son armas. También hay preguntas sobre el costo de un programa de eliminación de basura consistente. Algunos expertos técnicos lo estimaron en decenas de billones de dólares.
Sin embargo, quizás la razón más importante de la falta de principios metodológicos adecuados reside en el hecho de que todavía no sabemos cómo llevar a cabo la recuperación, lo que, en la práctica, significa la limpieza del espacio exterior. Pero esto no significa que no sepamos qué tecnologías necesitamos.
Ya se han desarrollado algoritmos para un solo uso. El problema real surge de una tarea aparentemente simple: identificar la basura "correcta" para la eliminación de la órbita. Y hasta que podamos resolver este problema, parece que no podremos volver a cultivar el cosmos.
Jugamos en los restos
Con el fin de comprender la naturaleza problemática de resolver una tarea tan simple como identificar la basura que se va a eliminar, utilizamos la analogía de jugar un mazo de cartas normales de 52. En esta analogía, cada mapa es un objeto ubicado en el espacio exterior que podemos eliminar para evitar una colisión. Después de repartir las cartas, colocamos cada carta boca abajo sobre la mesa. Nuestro objetivo ahora es tratar de identificar los ases y eliminarlos de la mesa, ya que estas mismas tarjetas son satélites u otros objetos grandes de escombros espaciales que pueden convertirse en participantes de una colisión en algún momento en el futuro. Podemos eliminar tantas tarjetas de la mesa como queramos, pero cada vez que eliminamos una tarjeta, tenemos que pagar 10 dólares. Además, a medida que nos alejamos, no tenemos derecho a mirar el mapa (si se retira el satélite de la órbita, no podemos decir con certeza que fue él quien podría participar en la colisión). Finalmente, tenemos que pagar 100 dólares por cada as que permanezca en la mesa, lo que representa pérdidas potenciales resultantes de colisiones con nuestros satélites (en realidad, el costo de reemplazar un satélite puede variar de 100 mil dólares a dos mil millones).
Bueno, ¿cómo resolvemos este problema? En el reverso, todas las cartas son iguales, por lo que no hay manera de establecer dónde están los ases, y la única forma de asegurarnos de que eliminamos todos los ases es eliminar todas las cartas de la tabla. En nuestro ejemplo, esto costará un máximo de dólares 520. En el espacio exterior, nos enfrentamos al mismo problema: no sabemos exactamente qué objetos pueden estar involucrados en colisiones, pero es demasiado caro eliminarlos todos, por lo que tenemos que elegir. Supongamos que hemos decidido elegir: para eliminar una tarjeta por la suma de dólares de 10, ¿cuál es la probabilidad de que eliminemos un as? Bueno, la probabilidad de que una tarjeta sea un as es cuatro dividido por 52, en otras palabras, aproximadamente 0,08 o 8 por ciento. Por lo tanto, la probabilidad de que la tarjeta no sea un as es 92 por ciento. Esa es la probabilidad de que hayamos desperdiciado nuestros dólares 10 en vano.
¿Qué sucede si tomamos la segunda tarjeta esta vez (lo que nos costará otros dólares 10)? La probabilidad de que la segunda carta sea un as depende del hecho de si la primera carta fue un as. Si este fuera el caso, entonces la probabilidad de que la segunda carta sea también un as se divide en tres por 51 (porque ahora solo quedan tres ases en el mazo, que ha disminuido en una carta). Si la primera carta no es un as, entonces la probabilidad de que la segunda sea un as es: divide cuatro entre 51 (porque aún quedan cuatro ases en el mazo reducido).
Podemos usar este método para determinar la probabilidad de que hayamos eliminado ambos ases; simplemente multiplique las probabilidades para encontrar la respuesta: 4 / 52 multiplicado por 3 / 51, lo que nos da la probabilidad de 0,0045 o 0,45 por ciento del costo de 20 dólares para dos tarjetas remotas. No es muy alentador.
Sin embargo, también podemos determinar la probabilidad de eliminar al menos uno de los ases. Después de eliminar dos cartas, existe una probabilidad de 15 por ciento de que eliminemos con éxito al menos uno de los ases. Esto suena más alentador, pero las probabilidades tampoco son particularmente buenas ahora.
Resulta que para aumentar las posibilidades de eliminar al menos uno de los ases, necesitamos eliminar más de nueve cartas (con un valor de 90 dólares) o más que las tarjetas 22 (con un valor de 220 dólares) si queremos estar seguros del porcentaje de 90 de que eliminamos uno de los ases. Incluso si tenemos éxito, los tres ases todavía permanecen en la mesa, así que en total todavía tenemos que pagar 520 dólares, que coincidentemente constituyen la misma cantidad que teníamos que pagar si hubiéramos elegido la opción de eliminar todas las cartas
Los juegos se terminaron
Al regresar de nuestra analogía al entorno espacial real, la situación parece más alarmante. Actualmente, al utilizar la red de estaciones espaciales de los Estados Unidos para observar el espacio exterior, se rastrean aproximadamente los objetos 20 000, aproximadamente el seis por ciento de los cuales son objetos con una masa de más de una tonelada que pueden participar hipotéticamente en la colisión y que podríamos eliminar. . En la analogía de las cartas, nuestro problema es que la "camiseta" de todas las cartas es la misma y la probabilidad de que una sea el as de espadas es la misma que la probabilidad de que la otra también sea la ace. No hay forma de identificar las tarjetas que necesita y eliminarlas de la tabla. De hecho, nuestras posibilidades de evitar colisiones son mucho más altas que en un juego de cartas, porque existe la posibilidad de que algunos objetos estén involucrados en colisiones en órbita y podamos centrar nuestra atención en ellos. Por ejemplo, los objetos que se encuentran en órbitas densamente pobladas, como heliosíncronas, en altitudes entre 600 y 900 kilómetros tienen más probabilidades de estar involucrados en colisiones debido a la congestión en esta zona. Si enfocamos nuestra atención en objetos similares (y otros en órbitas sobrecargadas de manera similar) y tomamos en cuenta las predicciones de la posibilidad de su colisión, resulta que tenemos que eliminar objetos cerca de 50 para reducir el número esperado de colisiones catastróficas en una sola unidad, lo que se desprende de los resultados de la investigación. realizado por miembros de la agencia espacial IADC.
Y resulta que incluso si varios objetos pueden ser eliminados por una sola nave "limpiadora" (y los cinco objetivos parecen ser una alternativa universal), muchos vuelos, a menudo complejos y pretenciosos, deberán emprenderse solo para evitar una colisión.
¿Por qué no podemos predecir con mayor precisión la probabilidad de colisiones y eliminar solo aquellos objetos que, como sabemos con seguridad, serán peligrosos? Hay muchos parámetros que pueden afectar la trayectoria del satélite, incluida la orientación del satélite, ya sea un movimiento aleatorio o el clima espacial (que puede afectar la resistencia aerodinámica experimentada por los satélites). Incluso pequeños errores en los valores iniciales pueden dar lugar a grandes discrepancias en los resultados del cálculo de la posición del satélite en comparación con la realidad, y después de un período relativamente corto. De hecho, utilizamos la misma metodología que los pronosticadores: usaremos modelos para generar probabilidades de resultados específicos, pero no el hecho de que estos resultados se obtendrán nunca.
Por lo tanto, tenemos tecnologías que se pueden utilizar ocasionalmente para eliminar los desechos espaciales. Tal es la posición adoptada por la Agencia Espacial Europea con su misión planificada de e.Deorbit, pero todavía hay problemas que deben resolverse para identificar los objetos más adecuados para su eliminación. Estos problemas deben resolverse antes de que puedan proporcionarse las directivas y los principios metodológicos necesarios a aquellos que estén interesados en preparar un programa a largo plazo de eliminación de desechos espaciales, que es necesario para la restauración efectiva del medio ambiente.
Los principios metodológicos en términos de instalaciones específicas, sus cantidades, requisitos y limitaciones son importantes para aumentar la probabilidad de que los esfuerzos realizados para restaurar el medio ambiente sean efectivos y oportunos. Para desarrollar tales principios metodológicos, debemos reconsiderar nuestras expectativas irrazonables de un resultado favorable.
El problema de la contaminación del espacio exterior preocupa a toda la comunidad aeroespacial. Tal desarrollo hipotético de eventos en órbita cercana a la Tierra, como el síndrome de Kessler, que predice la formación de desechos espaciales fuera de control, agitó incluso a los medios populares. Está claro que es necesario realizar una investigación básica para comprender el peligro que conlleva incluso un pequeño fragmento, y calcular cuánto estamos dispuestos a pagar por la limpieza del espacio exterior.
Actualmente, los responsables de la formulación de políticas, los científicos, los técnicos y el público en general son profundamente conscientes del problema de la proliferación de desechos espaciales. Gracias al trabajo fundamental de J.K. Liouville y Nicholas Johnson, publicado en 2006, entendemos que es probable que los niveles de contaminación sigan aumentando en el futuro, incluso si cesaran todos los lanzamientos. La razón de este aumento constante son las colisiones que se espera que se produzcan entre satélites y etapas. cohetesya en órbita. Esto preocupa mucho a muchos operadores de satélites, que se ven obligados a tomar medidas adecuadas para proteger sus activos.
Algunos expertos creen que estos incidentes solo serán el comienzo de una serie de colisiones que harán que el acceso a la órbita baja de la Tierra sea casi imposible. Por lo general, este fenómeno, que fue descrito por primera vez en detalle por el consultor de la NASA Donald Kessler, se llama síndrome de Kessler. Pero es probable que la realidad sea muy diferente de predicciones o eventos similares que se muestran en el largometraje Gravity. De hecho, los resultados presentados al Comité Interdepartamental de Coordinación de Desechos Espaciales (IADC, por sus siglas en inglés) en la 6ª Conferencia Europea sobre este tema mostraron un aumento esperado en la cantidad de escombros en solo el 30 durante los años de 200 con lanzamientos ininterrumpidos.
Las colisiones aún ocurrirán, pero la realidad estará lejos del escenario catastrófico que algunos temen tanto. El aumento en la cantidad de desechos espaciales puede reducirse a un nivel bastante modesto. La propuesta de IADC es difundir ampliamente y adherirse estrictamente a las pautas para la prevención de desechos espaciales, especialmente con respecto a la neutralización de las fuentes de energía que deben producirse en su totalidad para el final del vuelo, y su eliminación después del final del vuelo. Sin embargo, desde el punto de vista de la IADC, el aumento esperado en la cantidad de basura, a pesar de los esfuerzos realizados, aún requiere la introducción de medidas adicionales para combatir los factores de riesgo existentes.
No hay progreso?
Se notó un gran interés en la recuperación del entorno espacial nueve años después de la publicación del trabajo de Liouville y Johnson. En particular, se han dado ciertos pasos alrededor del mundo para desarrollar métodos para eliminar objetos de una órbita terrestre baja. La Agencia Espacial Europea, por ejemplo, anunció recientemente su intención de obtener el apoyo del gobierno para desorbitar la nave europea en la próxima década. La agencia ha realizado numerosos estudios para determinar formas racionales y confiables de lograr el objetivo. Un elemento clave de la planificación fueron los modelos informáticos de espacio obstruido, que mostraron que el crecimiento de la población de escombros podría evitarse mediante la eliminación de ciertas naves espaciales o cohetes. En las simulaciones por computadora, estos objetos se identifican como los más susceptibles de colisión, por lo tanto, después de su eliminación de la órbita, el número de colisiones debería disminuir considerablemente, lo que evitaría la aparición de nuevos escombros como resultado de la dispersión de escombros.
Han pasado casi diez años desde la publicación del trabajo de Liouville y Johnson, y es sorprendente que no se hayan presentado principios metodológicos a nivel internacional o nacional que definan claramente las medidas para eliminar las consecuencias de la contaminación del espacio cercano a la Tierra. Parece haber cierta apatía hacia el desarrollo de una metodología de procedimiento de eliminación de basura, a pesar de los llamados a la acción. ¿Pero es realmente?Pero, de hecho, la situación no es tan simple como parece. Con respecto al procedimiento de eliminación de desechos espaciales, hay algunas preguntas fundamentales que aún no se han respondido. De particular preocupación son las cuestiones relacionadas con la propiedad, la responsabilidad y la transparencia. Por ejemplo, muchas tecnologías propuestas para eliminar escombros también pueden usarse para eliminar o deshabilitar una nave espacial activa. Por lo tanto, uno puede esperar por los cargos que estas tecnologías son armas. También hay preguntas sobre el costo de un programa de eliminación de basura consistente. Algunos expertos técnicos lo estimaron en decenas de billones de dólares.
Sin embargo, quizás la razón más importante de la falta de principios metodológicos adecuados reside en el hecho de que todavía no sabemos cómo llevar a cabo la recuperación, lo que, en la práctica, significa la limpieza del espacio exterior. Pero esto no significa que no sepamos qué tecnologías necesitamos.
Ya se han desarrollado algoritmos para un solo uso. El problema real surge de una tarea aparentemente simple: identificar la basura "correcta" para la eliminación de la órbita. Y hasta que podamos resolver este problema, parece que no podremos volver a cultivar el cosmos.
Jugamos en los restos
Con el fin de comprender la naturaleza problemática de resolver una tarea tan simple como identificar la basura que se va a eliminar, utilizamos la analogía de jugar un mazo de cartas normales de 52. En esta analogía, cada mapa es un objeto ubicado en el espacio exterior que podemos eliminar para evitar una colisión. Después de repartir las cartas, colocamos cada carta boca abajo sobre la mesa. Nuestro objetivo ahora es tratar de identificar los ases y eliminarlos de la mesa, ya que estas mismas tarjetas son satélites u otros objetos grandes de escombros espaciales que pueden convertirse en participantes de una colisión en algún momento en el futuro. Podemos eliminar tantas tarjetas de la mesa como queramos, pero cada vez que eliminamos una tarjeta, tenemos que pagar 10 dólares. Además, a medida que nos alejamos, no tenemos derecho a mirar el mapa (si se retira el satélite de la órbita, no podemos decir con certeza que fue él quien podría participar en la colisión). Finalmente, tenemos que pagar 100 dólares por cada as que permanezca en la mesa, lo que representa pérdidas potenciales resultantes de colisiones con nuestros satélites (en realidad, el costo de reemplazar un satélite puede variar de 100 mil dólares a dos mil millones).
Bueno, ¿cómo resolvemos este problema? En el reverso, todas las cartas son iguales, por lo que no hay manera de establecer dónde están los ases, y la única forma de asegurarnos de que eliminamos todos los ases es eliminar todas las cartas de la tabla. En nuestro ejemplo, esto costará un máximo de dólares 520. En el espacio exterior, nos enfrentamos al mismo problema: no sabemos exactamente qué objetos pueden estar involucrados en colisiones, pero es demasiado caro eliminarlos todos, por lo que tenemos que elegir. Supongamos que hemos decidido elegir: para eliminar una tarjeta por la suma de dólares de 10, ¿cuál es la probabilidad de que eliminemos un as? Bueno, la probabilidad de que una tarjeta sea un as es cuatro dividido por 52, en otras palabras, aproximadamente 0,08 o 8 por ciento. Por lo tanto, la probabilidad de que la tarjeta no sea un as es 92 por ciento. Esa es la probabilidad de que hayamos desperdiciado nuestros dólares 10 en vano.
¿Qué sucede si tomamos la segunda tarjeta esta vez (lo que nos costará otros dólares 10)? La probabilidad de que la segunda carta sea un as depende del hecho de si la primera carta fue un as. Si este fuera el caso, entonces la probabilidad de que la segunda carta sea también un as se divide en tres por 51 (porque ahora solo quedan tres ases en el mazo, que ha disminuido en una carta). Si la primera carta no es un as, entonces la probabilidad de que la segunda sea un as es: divide cuatro entre 51 (porque aún quedan cuatro ases en el mazo reducido).
Podemos usar este método para determinar la probabilidad de que hayamos eliminado ambos ases; simplemente multiplique las probabilidades para encontrar la respuesta: 4 / 52 multiplicado por 3 / 51, lo que nos da la probabilidad de 0,0045 o 0,45 por ciento del costo de 20 dólares para dos tarjetas remotas. No es muy alentador.
Sin embargo, también podemos determinar la probabilidad de eliminar al menos uno de los ases. Después de eliminar dos cartas, existe una probabilidad de 15 por ciento de que eliminemos con éxito al menos uno de los ases. Esto suena más alentador, pero las probabilidades tampoco son particularmente buenas ahora.
Resulta que para aumentar las posibilidades de eliminar al menos uno de los ases, necesitamos eliminar más de nueve cartas (con un valor de 90 dólares) o más que las tarjetas 22 (con un valor de 220 dólares) si queremos estar seguros del porcentaje de 90 de que eliminamos uno de los ases. Incluso si tenemos éxito, los tres ases todavía permanecen en la mesa, así que en total todavía tenemos que pagar 520 dólares, que coincidentemente constituyen la misma cantidad que teníamos que pagar si hubiéramos elegido la opción de eliminar todas las cartas
Los juegos se terminaron
Al regresar de nuestra analogía al entorno espacial real, la situación parece más alarmante. Actualmente, al utilizar la red de estaciones espaciales de los Estados Unidos para observar el espacio exterior, se rastrean aproximadamente los objetos 20 000, aproximadamente el seis por ciento de los cuales son objetos con una masa de más de una tonelada que pueden participar hipotéticamente en la colisión y que podríamos eliminar. . En la analogía de las cartas, nuestro problema es que la "camiseta" de todas las cartas es la misma y la probabilidad de que una sea el as de espadas es la misma que la probabilidad de que la otra también sea la ace. No hay forma de identificar las tarjetas que necesita y eliminarlas de la tabla. De hecho, nuestras posibilidades de evitar colisiones son mucho más altas que en un juego de cartas, porque existe la posibilidad de que algunos objetos estén involucrados en colisiones en órbita y podamos centrar nuestra atención en ellos. Por ejemplo, los objetos que se encuentran en órbitas densamente pobladas, como heliosíncronas, en altitudes entre 600 y 900 kilómetros tienen más probabilidades de estar involucrados en colisiones debido a la congestión en esta zona. Si enfocamos nuestra atención en objetos similares (y otros en órbitas sobrecargadas de manera similar) y tomamos en cuenta las predicciones de la posibilidad de su colisión, resulta que tenemos que eliminar objetos cerca de 50 para reducir el número esperado de colisiones catastróficas en una sola unidad, lo que se desprende de los resultados de la investigación. realizado por miembros de la agencia espacial IADC.
Y resulta que incluso si varios objetos pueden ser eliminados por una sola nave "limpiadora" (y los cinco objetivos parecen ser una alternativa universal), muchos vuelos, a menudo complejos y pretenciosos, deberán emprenderse solo para evitar una colisión.
¿Por qué no podemos predecir con mayor precisión la probabilidad de colisiones y eliminar solo aquellos objetos que, como sabemos con seguridad, serán peligrosos? Hay muchos parámetros que pueden afectar la trayectoria del satélite, incluida la orientación del satélite, ya sea un movimiento aleatorio o el clima espacial (que puede afectar la resistencia aerodinámica experimentada por los satélites). Incluso pequeños errores en los valores iniciales pueden dar lugar a grandes discrepancias en los resultados del cálculo de la posición del satélite en comparación con la realidad, y después de un período relativamente corto. De hecho, utilizamos la misma metodología que los pronosticadores: usaremos modelos para generar probabilidades de resultados específicos, pero no el hecho de que estos resultados se obtendrán nunca.
Por lo tanto, tenemos tecnologías que se pueden utilizar ocasionalmente para eliminar los desechos espaciales. Tal es la posición adoptada por la Agencia Espacial Europea con su misión planificada de e.Deorbit, pero todavía hay problemas que deben resolverse para identificar los objetos más adecuados para su eliminación. Estos problemas deben resolverse antes de que puedan proporcionarse las directivas y los principios metodológicos necesarios a aquellos que estén interesados en preparar un programa a largo plazo de eliminación de desechos espaciales, que es necesario para la restauración efectiva del medio ambiente.
Los principios metodológicos en términos de instalaciones específicas, sus cantidades, requisitos y limitaciones son importantes para aumentar la probabilidad de que los esfuerzos realizados para restaurar el medio ambiente sean efectivos y oportunos. Para desarrollar tales principios metodológicos, debemos reconsiderar nuestras expectativas irrazonables de un resultado favorable.
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