¿Por qué la basura espacial es tan persistente en LEO?

A mi modo de ver, el problema es doble:

En primer lugar, las regulaciones apuntan a limitar la cantidad de tiempo que los desechos / satélites después del final de su vida útil pasan en órbita:

(e) La vida orbital de los objetos que pasan por LEO (menos de 2.000 km) será inferior a 25 años después del final de la operación.

(Fuente: Cumplimiento y requisitos de mitigación de desechos de ISO 24113)

¿Por qué exactamente el Comité de Coordinación de Desechos Espaciales Interinstitucionales (IADC) quiere mantener los satélites en órbita después del final de la misión (después de todo, uno pensaría que tiene más sentido sacar la basura cuando el contenedor se llena y no después de 25 años?) se describe un poco mejor por la ESA :

Un número creciente de países ha introducido regulaciones para limitar la producción de desechos nuevos dentro de las órbitas bajas protegidas, generalmente con la intención de que los satélites sean derribados o impulsados ​​fuera de aquí dentro de los 25 años posteriores al final de su vida laboral, al tiempo que reducen el riesgo para las personas en el suelo a menos de 1 en 10 000.

También necesitan ser 'pasivados', eliminando el propulsor sobrante y apagando las baterías para evitar explosiones.

Por lo tanto, los escombros se mantienen a propósito (por el momento; aún desorbitados dentro de los 25 años planificados) en órbita para tratar de desmantelar el satélite y reducir la posibilidad de daños a los humanos. Además, si lees entre líneas, esto se hace para que no haya una granizada de metal que explote en la Tierra, lo que afectaría gravemente tanto la reputación como la financiación de las agencias espaciales. (Un ejemplo de esto sería ver qué tan fuertes son las opiniones de la población sobre la energía nuclear, mientras afirman que no la conocen lo suficiente; algunos podrían describir la energía nuclear como "un regalo de los dioses, pisoteado por miedo". .)

El segundo problema con la presencia prolongada de escombros es la falta casi total de fuerzas opuestas. En el marco de referencia de los escombros, prácticamente la única fuerza opuesta constante es el arrastre proporcionado por la atmósfera terrestre. El arrastre atmosférico afecta todo dentro de unos 500 kilómetros (alrededor de 310 millas o alrededor de 1,6 millones de pies) de la superficie de la Tierra. Un documento de la Universidad de Cornell da el arrastre matemáticamente:

Para muchos satélites en órbita terrestre baja (LEO), la mayor incertidumbre del modelo dinámico proviene de la resistencia atmosférica. Aceleración debida a la resistencia atmosférica$\boldsymbol{a}_D$está relacionado con la densidad atmosférica$\rho$por la ecuación:

$$\boldsymbol{a}_D = −\frac{1}{2} \left( C_D \frac{A_v \left( t \right) }{m_s} \right) \rho v_r^2 \boldsymbol{e}_v$$ dónde $C_D$es un coeficiente de arrastre, $A_v \left( t \right)$es el área de la sección transversal del satélite en la dirección de viaje, $m_s$es la masa total de la nave espacial, $v_r$es la magnitud de la velocidad relativa a la atmósfera ambiente, y $\boldsymbol{e}_v$es un vector unitario en la dirección de la velocidad relativa.

De la fórmula anterior, podemos ver que, de hecho, un objeto de menor masa tendría una mayor resistencia atmosférica como sugirió. Lo que también juega un papel importante aquí es el área de la sección transversal$A_v \left( t \right)$de los escombros Si piensas en intentar lanzar una pelota de playa y una piedra pequeña de masas aproximadamente iguales, sabes que puedes lanzar la piedra pequeña mucho más rápido que la pelota de playa, y esto se debe a las diferentes áreas transversales.$A_v \left( t \right)$de los dos objetos.

Ahora, consideremos satélites completos versus piezas más pequeñas de escombros: la pieza más pequeña probablemente no sea hueca, sino solo un trozo de metal o algún compuesto, mientras que el satélite estará relativamente vacío y hueco desde el interior. En este caso, la relación entre el área de la sección transversal$A_v \left( t \right)$y la masa total de la nave espacial$m_s$sería mayor para el satélite que para el desecho más pequeño, es decir, el satélite tendría una mayor resistencia y saldría de órbita antes que el desecho más pequeño (suponiendo que las constantes y los coeficientes permanecieran iguales para los dos).

Esto pone en duda por qué EE. UU. y China intentaron volar viejos satélites, creando decenas de miles de desechos nuevos, más pequeños y más duraderos, cuando no tiene sentido físicamente.

Para resumir, la tasa es, lamentablemente, no tan alta. Hay esfuerzos para combatirlo (ver el enlace ESA arriba), pero hasta ahora se ve bastante horrible a corto plazo. Y para colmo, todo lo que supere el umbral de los 500 km no se siente arrastrado por la atmósfera. Por ejemplo, los satélites en la órbita geosíncrona (GEO, alrededor de 36 000 km / 22 000 millas) deben colocarse en una órbita de cementerio al final de su vida útil. De Wikipedia:

Una órbita de cementerio, también llamada órbita basura u órbita de eliminación, es una órbita supersincrónica que se encuentra significativamente por encima de la órbita sincrónica, donde las naves espaciales se colocan intencionalmente al final de su vida operativa. Es una medida realizada para reducir la probabilidad de colisiones con naves espaciales operativas y de generación de basura espacial adicional.

Para responder a algunas de sus preguntas más cortas:

• Esta foto de Wikipedia da una idea de lo sucios que estamos:
• La separación de la etapa final generalmente está diseñada para no arrojar una gran cantidad de desechos al espacio, y las agencias / compañías de lanzamiento intentan cada vez más traer las etapas anteriores de regreso a la Tierra (intactas o no). De lo contrario, es posible que tenga una o dos piezas de escombros que ya tienen una trayectoria descendente en la separación de la etapa (Tercera ley de movimiento de Newton: el "empuje adicional" en la separación de la etapa afecta la etapa anterior por igual, por lo que mientras la carga útil se empuja más lejos de la Tierra , la etapa anterior es empujada hacia la Tierra.)
• Hay alrededor de 70-90 lanzamientos por año en estos días, así que no, no estamos lanzando cargas útiles orbitales a una tasa de 1 cada 3 días... Simplemente a una tasa de 1 cada 4 días. ;) Sin embargo, esto no equivale a la cantidad de satélites desplegados: por ejemplo, los desarrollos recientes de CubeSats (satélites diminutos (10 cm x 10 cm x 10 cm), baratos) han llevado al lanzamiento de numerosos satélites más pequeños a la vez junto con satélites más grandes. carga útil. A finales de 2013, la USAF lanzó un cohete Minotaur I cargado con su principal carga útil, el Satélite 3 del Programa de Pruebas Espaciales de la Fuerza Aérea, y junto con él 28 CubeSats, por lo que un solo lanzamiento desplegó la impresionante cantidad de 29 satélites.

Entonces, después de todo este murmullo, la principal fuente de basura espacial realmente somos nosotros. Y no estamos realmente lanzando más y más cosas al espacio, sino nuestra falta de progreso en la eliminación efectiva de nuestros orbitadores pasados, presentes y futuros del espacio después de que sus misiones hayan terminado. Espero que esto haya ayudado.

(Un obstáculo que no mencioné es político: los gobiernos realmente no quieren financiar misiones para eliminar la basura espacial. Los políticos están mucho más interesados ​​en misiones que puedan "ser vistas" y acreditadas a su tiempo en el gobierno, mientras que la eliminación de desechos sería todo lo contrario de esto (nadie tiene en alta estima al basurero, a pesar de su importante trabajo de infraestructura).)