¿Qué tan costoso sería hacer una nave espacial que pueda sobrevivir dejando una Tierra que sufre el Síndrome de Kessler?

Vale la pena leer http://webpages.charter.net/dkessler/files/KesSym.html y algunos de los artículos vinculados en ese artículo también son una lectura muy informativa, aunque pueden ser bastante técnicos.

Lo primero es que una cascada no ocurre en cuestión de días o incluso meses. En cambio, lo que sucede es que el aumento de la densidad de los desechos reduce la vida útil esperada de un satélite.

No todas las órbitas se ven afectadas. La principal órbita problemática es la órbita terrestre baja. Las órbitas muy bajas, donde la resistencia atmosférica es significativa, no se verán gravemente afectadas porque la atmósfera eliminará rápidamente los desechos. Por debajo de unos 800 km, la resistencia atmosférica será razonablemente eficaz, ya que las órbitas de los desechos decaerán en cuestión de décadas.

Particularmente problemáticas son las órbitas terrestres bajas en el rango de 800-2000 km, a estas altitudes se necesitan siglos para que la resistencia atmosférica elimine los escombros, los escombros en esas órbitas permanecen. Sin nada que elimine los escombros, la densidad es libre de acumularse a partir de colisiones. La baja tasa de descomposición orbital y el hecho de que están por debajo de los cinturones de van allen son factores que hacen que estas altitudes sean atractivas para los satélites.

Incluso en el peor de los casos, la órbita terrestre baja baja seguiría siendo razonablemente hospitalaria porque la atmósfera está eliminando rápidamente los escombros y la estabilidad misma de las órbitas más altas significa que el flujo de escombros desde órbitas más altas sería razonablemente bajo. Durante lo peor de una cascada del síndrome de Kessler, habría desechos adicionales significativos incluso en una órbita terrestre muy baja, pero mejoraría en cuestión de años.

En órbitas más altas, la órbita no se vuelve inutilizable per se. En cambio, lo que tienes son probabilidades. Teniendo en cuenta la vida útil deseada de la misión, se requiere un nivel de blindaje para una cierta probabilidad de lograr esa vida útil. Por encima de una cierta masa de proyectil (~100 g), el blindaje se vuelve poco práctico. Sin embargo, los mismos escombros que son demasiado grandes para protegerse contra ellos, también son lo suficientemente grandes para rastrearlos de manera efectiva, por lo que se podría usar la prevención activa de colisiones. Tanto el blindaje como la provisión para la evasión activa agregan masa y complejidad al satélite.

Las órbitas de la Tierra Media no se verán gravemente afectadas porque la densidad de satélites es mucho menor. La densidad de satélites es mucho menor porque estas órbitas no son tan útiles (también los cinturones de van allen se encuentran en MEO y son problemáticos para los satélites en ciertas altitudes). Un satélite aún necesitaría pasar a través del cinturón de escombros LEO, pero todo se reduce a probabilidades, existe una probabilidad de colisión que daña el satélite y puede agregar protección para reducir la probabilidad de daño a un nivel considerado aceptable. Además, se puede trazar un camino que evite los escombros rastreables.

En resumen, incluso en el caso de un síndrome de Kessler muy grave, las órbitas terrestres muy bajas, donde el decaimiento orbital medido en años, seguirán siendo bastante utilizables. La prevención de colisiones y el blindaje se pueden utilizar para reducir la probabilidad de destrucción del satélite a niveles aceptables. Puede darse el caso de que ciertos rangos de altitud se vuelvan efectivamente inutilizables debido a que el costo de hacer un satélite que pueda sobrevivir en el cinturón de escombros sea mayor que el costo de tener el satélite en una órbita más baja (que requiere impulso frecuente) o un mayor órbita (que requiere un cohete más poderoso y un paso peligroso a través de los peores escombros). Creo que a veces se exagera el impacto del síndrome de Kessler,

Si está hablando de atravesar los escombros, no permanecer en ellos (es decir, una trayectoria de escape o una transferencia de Hohmann a una órbita más limpia), entonces la nave solo estaría en LEO durante unos minutos u horas. Solo el Síndrome de Kessler más severo causaría un problema.

El síndrome de Kessler describe el efecto cascada de los impactos de escombros a escombros. Un impacto catastrófico puede causar muchos objetos más pequeños, cada uno capaz de causar un impacto catastrófico adicional, de ahí la cascada.

Para ser claros, si en 2050 se destruyen todos los satélites, esto no es estrictamente el síndrome de Kessler. También depende de cuánto se destruyan todos los satélites. Una buena medida de esto es el área transversal mediana de la nube de material resultante. Si el área de la sección transversal es muy pequeña, ¡entonces la masa es aún más pequeña ! Si asume que todos los objetos son esferas, entonces puede ver a través del área de un círculo ($\pi r^2$) y el volumen de una esfera ($\frac{4}{3} \pi r^3$) a medida que se vuelve 2 veces más pequeño en radio, se obtiene 4 veces más pequeño en área y 8 veces más pequeño en volumen (y, por lo tanto, en masa). Entonces, las partículas muy pequeñas en realidad salen de órbita bastante rápido porque tienen un coeficiente balístico mucho más bajo.

Ahora a tu pregunta:

Si el objeto es pequeño, digamos 1 mm o menos, podemos manejar el impacto de ellos fácilmente con las tecnologías existentes, como los escudos antivibraciones. Algo más grande y estás en más problemas. Suponiendo que no desea remediar primero la situación de los escombros, le quedan algunas opciones:

• construir un casco muy grueso, esto aumentaría el tamaño del impacto que podría soportar pero aumentaría sus costos de combustible.
• busque un espacio en la nube, los objetos de escombros que exploten seguirán un camino similar al que siguieron cuando eran satélites, por lo que, si tiene suerte, podrá lanzarse por la noche desde el polo norte, por ejemplo, y empujar directamente hacia arriba a través de un buen hueco en la nube.
• propulsión de pulso nuclear: la NPP podría usarse para impulsar su nave espacial (nunca se ha probado, pero más por razones sociales / políticas y preparación tecnológica) y dado que ya tiene las armas nucleares a bordo, arroje una bomba nuclear de medio rendimiento delante de su nave espacial para explotar los fragmentos de escombros se apartan (la mitad del rendimiento para que aún tenga movimiento hacia adelante). Realmente nos estamos moviendo hacia la ciencia ficción ahora, pero...
• podría usar la ablación láser para cambiar la trayectoria de cualquier amenaza potencial en tiempo real (esto sería extremadamente difícil para señalar y rastrear).
• una unidad de Alcubierre contrae el espacio frente a la nave espacial y lo expande detrás de la nave espacial (permitiendo velocidades más rápidas que la luz desde un marco de referencia externo) este tipo de tecnología podría usarse para crear una ventana de lanzamiento saltando algunos escombros adelante de donde estaría , pero el TRL en esto es aproximadamente 1.
• agujeros de gusano Supongo que este es un método razonablemente obvio si tenemos la tecnología; aunque si has visto suficiente Stargate, al menos sabrás cómo evitar un agujero de gusano que atraviesa una estrella que podría emitir una llamarada solar. ¡No, espera! Vaya a través de esas estrellas y traiga la tecnología de vuelta a hoy y podemos detener la creación de la nube de escombros. Aunque entonces no habría necesidad de que lo trajeras de vuelta - ok, nueva regla: por favor, ocúpate de las paradojas antes de definir tu plan de vuelo.

Entonces, en términos de gastos, está buscando aumentar el costo a medida que avanza en la lista. Ya sea que se trate de costos de lanzamiento (digamos $ 10,000 / kg) para masa adicional o costos de desarrollo para la tecnología de agujeros de gusano (digamos $ 1 Bazillion). Poner un número exacto va a ser difícil sin una pregunta más específica (densidad espacial de los objetos, tamaño medio de los objetos, etc.)

Supongo que sería más barato limpiar los desechos espaciales que construir y lanzar un escudo súper fuerte para todo lo que envías al espacio. Tampoco estoy seguro de que tengamos la tecnología para construir un escudo como ese en este momento.

Como se señaló en otra respuesta, las órbitas decaen, por lo que también puede esperar. Las órbitas tienden a decaer más rápido para los objetos en órbitas más bajas, por lo que probablemente sería mejor concentrar los esfuerzos en limpiar primero los desechos de órbitas más altas y los desechos más grandes.

Lo que sigue es un cálculo detallado de lo que costaría usar pequeños satélites "remolcadores" de propulsores de iones para sacar de órbita todos los desechos de más de 5 cm en órbita terrestre en este momento (tenga en cuenta que esto todavía deja una enorme cantidad de desechos más pequeños). de 5 cm que también pueden infligir fácilmente mucho daño):

• La NASA estima 14000 piezas en órbita a partir de 2009
• Un remolcador cubesat de 3U impulsado por un propulsor de iones podría costar alrededor de $ 65000
• Puede eliminar al menos un elemento de escombros por remolcador utilizando remolcadores cubesat de 3U (sin referencia alguna)
• Asumiendo órbita geoestacionaria para todos los objetos (peor caso)
• SpaceX lanzará 4850kg a GTO por $ 61.2M
• Un cubesat 3U pesa 3 kg (creo que esto se define en la especificación cubesat pero puede variar)
• Esto significa que puede desplegar alrededor de 1600 remolcadores en un lanzamiento (4850 / 3... ignorando muchos otros factores relevantes)
• Incluyendo el lanzamiento, el costo de un remolcador es de aproximadamente $ 103000 (65000 + 61200000 / 1600)
• Esto eleva el costo total de limpieza a aproximadamente $ 1.4B (103000 * 14000)
• Proyectos como este requieren personal de operaciones e ingeniería, así como administración, por lo que puede duplicar el número anterior para ser más realista.

El escenario descrito anteriormente es probablemente la forma menos eficiente de hacerlo, pero puede darle una idea del límite superior para las operaciones de limpieza.

El Síndrome de Kessler no acaba con la exploración espacial. En el peor de los casos, lo retrasa. La cantidad de satélites en LEO se corrige automáticamente en unas pocas décadas. Ver Vida media de los desechos espaciales .

Si la cantidad de objetos en la órbita LEO aumenta lo suficiente, pueden convertirse en un recurso de masa de reacción/combustible. ¿Puedo aumentar con Space Junk?

Con la tecnología suficiente, no es una preocupación, considere un escudo tipo Star Trek, simplemente lo encendería y conduciría igual que los escombros en el espacio. (Creo que también tenemos una pregunta/respuesta sobre esto, pero no la veo)