Satélite

El primer estudio matemático publicado sobre la posibilidad de un satélite artificial fue la bala de cañón de Newton , un experimento mental de Isaac Newton para explicar el movimiento de los satélites naturales , en su Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica (1687). La primera representación ficticia de un satélite siendo lanzado a órbita fue un cuento de Edward Everett Hale , " The Brick Moon " (1869). ^{[ 3 ] [ 4 ]} La idea resurgió en La fortuna de la begum de Julio Verne (1879).

En 1903, Konstantin Tsiolkovsky (1857-1935) publicó Explorando el espacio mediante propulsión a chorro , el primer tratado académico sobre el uso de cohetes para lanzar naves espaciales. Calculó la velocidad orbital necesaria para una órbita mínima e infirió que un cohete multietapa propulsado por combustible líquido podría lograrla.

Herman Potočnik exploró la idea de utilizar naves espaciales en órbita para la observación detallada, tanto pacífica como militar, de la Tierra en su libro de 1928, El problema de los viajes espaciales . Describió cómo las condiciones especiales del espacio podrían ser útiles para experimentos científicos. El libro describió los satélites geoestacionarios (propuestos inicialmente por Konstantin Tsiolkovsky ) y analizó la comunicación entre estos y la Tierra mediante radio, pero no llegó a desarrollar la idea de utilizar satélites para la radiodifusión masiva ni como repetidores de telecomunicaciones. ^{[ 5 ]}

En un artículo de 1945 publicado en Wireless World , el escritor inglés de ciencia ficción Arthur C. Clarke describió en detalle el posible uso de satélites de comunicaciones para la comunicación masiva. Sugirió que tres satélites geoestacionarios proporcionarían cobertura en todo el planeta. ^{[ 6 ] : 1–2}

En mayo de 1946, el Proyecto RAND de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos publicó el Diseño Preliminar de una Nave Espacial Experimental Orbital , que afirmaba: «Se espera que un vehículo satelital con la instrumentación adecuada sea una de las herramientas científicas más potentes del siglo XX». ^{[ 7 ]} Estados Unidos había estado considerando el lanzamiento de satélites orbitales desde 1945 bajo la Oficina de Aeronáutica de la Armada de los Estados Unidos . El Proyecto RAND finalmente publicó el informe, pero consideró el satélite como una herramienta para la ciencia, la política y la propaganda, en lugar de un arma militar potencial. ^{[ 8 ]}

En 1946, el astrofísico teórico estadounidense Lyman Spitzer propuso un telescopio espacial en órbita . ^{[ 9 ]}

En febrero de 1954, el Proyecto RAND publicó "Usos científicos de un vehículo satelital", de RR Carhart. ^{[ 10 ]} Este documento amplió los posibles usos científicos de los vehículos satelitales y fue seguido en junio de 1955 por "El uso científico de un satélite artificial", de HK Kallmann y WW Kellogg. ^{[ 11 ]}

El primer satélite artificial fue el Sputnik 1 , lanzado por la Unión Soviética el 4 de octubre de 1957 dentro del programa Sputnik , con Sergei Korolev como diseñador jefe. El Sputnik 1 ayudó a identificar la densidad de las capas atmosféricas altas mediante la medición de su cambio orbital y proporcionó datos sobre la distribución de señales de radio en la ionosfera . El anuncio inesperado del éxito del Sputnik 1 precipitó la crisis del Sputnik en Estados Unidos y desencadenó la llamada carrera espacial en el marco de la Guerra Fría .

En el marco de las actividades previstas para el Año Geofísico Internacional (1957-1958), la Casa Blanca anunció el 29 de julio de 1955 que Estados Unidos tenía previsto lanzar satélites en la primavera de 1958. Este proyecto se conoció como Proyecto Vanguard . El 31 de julio, la Unión Soviética anunció su intención de lanzar un satélite en el otoño de 1957.

El Sputnik 2 fue lanzado el 3 de noviembre de 1957 y llevó a la primera pasajera viva a la órbita, una perra llamada Laika . ^{[ 12 ]} La perra fue enviada sin posibilidad de regresar.

A principios de 1955, tras la presión ejercida por la Sociedad Estadounidense de Cohetes , la Fundación Nacional de Ciencias y el Año Geofísico Internacional, el Ejército y la Armada colaboraron en el Proyecto Orbiter con dos programas en competencia. El Ejército utilizó el cohete Jupiter C , mientras que el programa civil-Armada empleó el cohete Vanguard para lanzar un satélite. El Explorer 1 se convirtió en el primer satélite artificial de Estados Unidos el 31 de enero de 1958. ^{[ 13 ]} La información enviada por su detector de radiación condujo al descubrimiento de los cinturones de radiación de Van Allen de la Tierra . ^{[ 14 ]} La nave espacial TIROS-1 , lanzada el 1 de abril de 1960 como parte del programa de Satélites de Observación Infrarroja por Televisión (TIROS) de la NASA, envió las primeras imágenes televisivas de patrones meteorológicos tomadas desde el espacio. ^{[ 15 ]}

En junio de 1961, tres años y medio después del lanzamiento del Sputnik 1, la Red de Vigilancia Espacial de los Estados Unidos catalogó 115 satélites en órbita terrestre. ^{[ 16 ]}

Si bien Canadá fue el tercer país en construir un satélite que fue lanzado al espacio, ^{[ 17 ]} fue lanzado a bordo de un cohete estadounidense desde un puerto espacial estadounidense. Lo mismo ocurre con Australia, cuyo lanzamiento del primer satélite involucró un cohete Redstone estadounidense donado y personal de apoyo estadounidense, así como una instalación de lanzamiento conjunta con el Reino Unido. ^{[ 18 ]} El primer satélite italiano, San Marco 1, fue lanzado el 15 de diciembre de 1964 en un cohete Scout estadounidense desde Wallops Island (Virginia, Estados Unidos) con un equipo de lanzamiento italiano entrenado por la NASA . ^{[ 19 ]} En ocasiones similares, casi todos los siguientes primeros satélites nacionales fueron lanzados por cohetes extranjeros.

Francia fue el tercer país en lanzar un satélite con su propio cohete. El 26 de noviembre de 1965, el Astérix o A-1 (inicialmente concebido como FR.2 o FR-2) fue puesto en órbita por un cohete Diamant A lanzado desde el centro CIEES en Hammaguir , Argelia . Con el Astérix, Francia se convirtió en el sexto país en tener un satélite artificial.

Los primeros satélites se construían con diseños únicos. Con los avances tecnológicos, se empezaron a construir varios satélites sobre plataformas de un solo modelo, denominadas buses satelitales . El primer diseño estandarizado de bus satelital fue el satélite de comunicaciones geoestacionario (GEO) HS-333 , lanzado en 1972. Desde 1997, FreeFlyer es una aplicación de software comercial disponible para el análisis, diseño y operación de misiones satelitales.

Después de finales de la década de 2010, y especialmente después de la aparición y puesta en funcionamiento de grandes constelaciones de internet por satélite —donde el número de satélites activos en órbita se duplicó con creces en un período de cinco años— las empresas que construían las constelaciones comenzaron a proponer la desorbitación planificada y regular de los satélites más antiguos que llegaban al final de su vida útil , como parte del proceso regulatorio para obtener una licencia de lanzamiento. El satélite artificial más grande jamás construido es la Estación Espacial Internacional . ^{[ 20 ]}

A principios de la década de 2000, y particularmente después de la llegada de los CubeSats y el aumento de lanzamientos de microsatélites —frecuentemente lanzados a las altitudes más bajas de la órbita terrestre baja (LEO)— los satélites comenzaron a diseñarse con mayor frecuencia para ser destruidos, o desintegrarse y quemarse por completo en la atmósfera. ^{[ 21 ]} Por ejemplo, los satélites Starlink de SpaceX , la primera gran constelación de internet satelital que superó los 1000 satélites activos en órbita en 2020, están diseñados para ser 100 % destructibles y quemarse por completo en su reentrada atmosférica al final de su vida útil, o en caso de una falla prematura del satélite. ^{[ 22 ]}

En diferentes períodos, muchos países, como Argelia , Argentina , Australia , Austria , Brasil , Canadá , Chile , China , Dinamarca , Egipto , Finlandia , Francia , Alemania , India , Indonesia , Irán , Israel , Italia , Japón , Kazajistán , Corea del Sur , Malasia , México , Países Bajos , Noruega , Pakistán , Polonia , Rusia , Arabia Saudita , Sudáfrica , España , Suiza , Tailandia , Turquía , Ucrania , Reino Unido y Estados Unidos , tenían algunos satélites en órbita. ^{[ 23 ]}

La agencia espacial japonesa (JAXA) y la NASA planean enviar a órbita un prototipo de satélite de madera llamado LingoSat en el verano de 2024.Han estado trabajando en este proyecto durante algunos años y enviaron las primeras muestras de madera al espacio en 2021 para probar la resistencia del material a las condiciones espaciales. ^{[ 24 ]}

La mayoría de los satélites utilizan propulsión química o iónica para ajustar o mantener su órbita , ^{[ 6 ] : 78} junto con ruedas de reacción para controlar sus tres ejes de rotación o actitud. Los satélites cercanos a la Tierra son los más afectados por las variaciones en el campo magnético terrestre , el campo gravitatorio y la presión de radiación solar ; los satélites más alejados se ven más afectados por el campo gravitatorio de otros cuerpos, como la Luna y el Sol. Los satélites utilizan recubrimientos reflectantes ultrablancos para prevenir daños por radiación UV. ^{[ 25 ]} Sin control de órbita y orientación, los satélites en órbita no podrán comunicarse con las estaciones terrestres . ^{[ 6 ] : 75–76}

Los propulsores químicos en los satélites suelen utilizar monopropelente (de una parte) o bipropelente (de dos partes) hipergólicos . Hipergólico significa que pueden combustionar espontáneamente al entrar en contacto entre sí o con un catalizador . Las mezclas de propelente más utilizadas en los satélites son los monopropelentes a base de hidrazina o los bipropelentes de monometilhidrazina - tetróxido de dinitrógeno . Los propulsores iónicos en los satélites suelen ser propulsores de efecto Hall , que generan empuje acelerando iones positivos a través de una rejilla cargada negativamente. La propulsión iónica es más eficiente en cuanto a propelente que la química, pero su empuje es muy pequeño (alrededor de 0,5 N o 0,1 lb _f ), por lo que requiere un tiempo de combustión más prolongado. Los propulsores suelen utilizar xenón porque es inerte , se ioniza fácilmente, tiene una masa atómica elevada y se puede almacenar como líquido a alta presión. ^{[ 6 ] : 78–79}  

La mayoría de los satélites utilizan paneles solares para generar energía, y algunos en el espacio profundo, donde la luz solar es limitada, emplean generadores termoeléctricos de radioisótopos . Los paneles solares se fijan al satélite mediante anillos colectores, que pueden girar para quedar perpendiculares a la luz solar y generar la máxima energía. Todos los satélites con paneles solares también deben contar con baterías , ya que la luz solar se bloquea dentro del vehículo de lanzamiento y durante la noche. Los tipos de baterías más comunes para satélites son las de iones de litio y, en el pasado, las de níquel-hidrógeno . ^{[ 6 ] : 88–89}

Los satélites de observación de la Tierra están diseñados para monitorear y estudiar el planeta, lo que se conoce como teledetección . La mayoría de estos satélites se ubican en órbita terrestre baja para obtener una alta resolución de datos, aunque algunos se colocan en órbita geoestacionaria para una cobertura ininterrumpida. Algunos satélites se ubican en órbita heliosíncrona para tener una iluminación constante y obtener una vista completa de la Tierra. Según sus funciones, los satélites pueden contar con una cámara convencional , radar , lidar , fotómetro o instrumentos atmosféricos. Los datos de los satélites de observación de la Tierra se utilizan principalmente en arqueología , cartografía , monitoreo ambiental , meteorología y aplicaciones de reconocimiento . En 2021, existían más de 950 satélites de observación de la Tierra, siendo Planet Labs la mayor parte operada por ellos . ^{[ 26 ]}

Los satélites meteorológicos monitorean las nubes , las luces de las ciudades , los incendios , los efectos de la contaminación , las auroras , las tormentas de arena y polvo , la capa de nieve , el mapeo del hielo , los límites de las corrientes oceánicas , los flujos de energía , etc. Los satélites de monitoreo ambiental pueden detectar cambios en la vegetación de la Tierra , el contenido de gases traza atmosféricos, el estado del mar, el color del océano y los campos de hielo. Al monitorear los cambios de la vegetación a lo largo del tiempo, las sequías pueden monitorearse comparando el estado actual de la vegetación con su promedio a largo plazo. ^{[ 27 ]} Las emisiones antropogénicas pueden monitorearse evaluando datos de NO ₂ y SO ₂ troposféricos .

Cuando un  satélite de observación terrestre o  un satélite de comunicaciones se despliega con fines  militares  o  de inteligencia  , se le conoce como satélite espía o satélite de reconocimiento.

Entre sus usos se incluyen la alerta temprana de misiles, la detección de explosiones nucleares, el reconocimiento electrónico y la vigilancia mediante imágenes ópticas o de radar.

Los satélites de navegación utilizan señales de radiofrecuencia para que los receptores móviles en tierra puedan determinar su ubicación exacta. La línea de visión relativamente despejada entre los satélites y los receptores terrestres, junto con la constante mejora de la electrónica, permite que los sistemas de navegación por satélite midan la ubicación con una precisión de pocos metros en tiempo real.

Los satélites astronómicos son satélites utilizados para la observación de planetas distantes, galaxias y otros objetos del espacio exterior. ^{[ 31 ]}

Los satélites de amarre son satélites conectados a otro satélite mediante un cable delgado llamado amarre . ^{[ 32 ]} Los satélites de recuperación son satélites que permiten recuperar cargas útiles de reconocimiento, biológicas, de producción espacial y otras desde la órbita hasta la Tierra. Los biosatélites son satélites diseñados para transportar organismos vivos, generalmente para experimentación científica. ^{[ 33 ]} Los satélites de energía solar espacial son satélites propuestos que recolectarían energía de la luz solar y la transmitirían para su uso en la Tierra u otros lugares. ^{[ 34 ]}

Desde mediados de la década de 2000, organizaciones militantes han pirateado satélites para difundir propaganda y robar información clasificada de redes de comunicación militar. ^{[ 35 ] [ 36 ]} Con fines de prueba, se han destruido satélites en órbita terrestre baja mediante misiles balísticos lanzados desde la Tierra. Rusia , Estados Unidos , China e India han demostrado la capacidad de eliminar satélites. ^{[ 37 ]} En 2007, el ejército chino derribó un satélite meteorológico antiguo, ^{[ 37 ]} seguido por la Armada de los Estados Unidos derribando un satélite espía fuera de servicio en febrero de 2008. ^{[ 38 ]} El 18 de noviembre de 2015, después de dos intentos fallidos, Rusia llevó a cabo con éxito una prueba de vuelo de un misil antisatélite conocido como Nudol . El 27 de marzo de 2019, India derribó un satélite de prueba en funcionamiento a 300 km de altitud en 3 minutos, convirtiéndose en el cuarto país con la capacidad de destruir satélites en funcionamiento. ^{[ 39 ] [ 40 ]} 

El uso de recursos es difícil de monitorear y cuantificar para satélites y vehículos de lanzamiento debido a su naturaleza comercialmente sensible. Sin embargo, el aluminio es un metal preferido en la construcción de satélites debido a su ligereza y relativo bajo costo y normalmente constituye alrededor del 40% de la masa de un satélite. ^{[ 41 ]} A través de la minería y el refinado, el aluminio tiene numerosos impactos ambientales negativos y es uno de los metales más intensivos en carbono. ^{[ 42 ]} La fabricación de satélites también requiere elementos raros como litio , oro y galio , algunos de los cuales tienen consecuencias ambientales significativas vinculadas a su minería y procesamiento y/o son de suministro limitado. ^{[ 43 ] [ 44 ] [ 45 ]} Los vehículos de lanzamiento requieren mayores cantidades de materias primas para su fabricación y las etapas propulsoras generalmente se arrojan al océano después del agotamiento del combustible. Normalmente no se recuperan. ^{[ 43 ]} Dos propulsores vacíos utilizados para Ariane 5 , que estaban compuestos principalmente de acero, pesaban alrededor de 38 toneladas cada uno, ^{[ 46 ]} para dar una idea de la cantidad de materiales que a menudo se dejan en el océano.

Los lanzamientos de cohetes liberan numerosos contaminantes en todas las capas de la atmósfera, afectando especialmente a la atmósfera por encima de la tropopausa , donde los subproductos de la combustión pueden permanecer durante períodos prolongados. ^{[ 47 ]} Estos contaminantes pueden incluir carbono negro , CO ₂ , óxidos de nitrógeno (NO _x ), aluminio y vapor de agua , pero la mezcla de contaminantes depende del diseño del cohete y del tipo de combustible. ^{[ 48 ]} La cantidad de gases de efecto invernadero emitidos por los cohetes se considera insignificante, ya que contribuye significativamente menos, alrededor del 0,01%, ^{[ 49 ]} que la industria de la aviación anualmente, que por sí sola representa el 2-3% del total de las emisiones globales de gases de efecto invernadero. ^{[ 47 ]}

Las emisiones de cohetes en la estratosfera y sus efectos apenas comienzan a estudiarse y es probable que los impactos sean más críticos que las emisiones en la troposfera. ^{[ 43 ]} La estratosfera incluye la capa de ozono y los contaminantes emitidos por los cohetes pueden contribuir al agotamiento del ozono de varias maneras. Los radicales como NO _x , HO _x y ClO _x agotan el O ₃ estratosférico a través de reacciones intermoleculares y pueden tener enormes impactos en cantidades traza. ^{[ 47 ]} Sin embargo, actualmente se entiende que las tasas de lanzamiento tendrían que aumentar diez veces para igualar el impacto de las sustancias reguladas que agotan el ozono. ^{[ 50 ] [ 51 ]} Si bien las emisiones de vapor de agua se consideran en gran medida inertes, el H ₂ O es el gas fuente de HO _x y también puede contribuir a la pérdida de ozono a través de la formación de partículas de hielo. ^{[ 50 ]} Las partículas de carbono negro emitidas por los cohetes pueden absorber la radiación solar en la estratosfera y provocar un calentamiento en el aire circundante, lo que puede afectar la dinámica circulatoria de la estratosfera. ^{[ 52 ]} Tanto el calentamiento como los cambios en la circulación pueden provocar el agotamiento de la capa de ozono.

Las desorbitaciones incontroladas representan amenazas particulares.

Algunos fallos notables de satélites que contaminaron y dispersaron materiales radiactivos son Kosmos 954 , Kosmos 1402 y Transit 5-BN-3 .

Cuando los satélites llegan al final de su vida útil de forma controlada, se desorbitan intencionalmente o se trasladan a una órbita cementerio más alejada de la Tierra para reducir la basura espacial . La recolección o eliminación física no es económica ni siquiera posible en la actualidad. Trasladar satélites a una órbita cementerio tampoco es sostenible porque permanecen allí durante cientos de años. ^{[ 43 ]} Esto provocará una mayor contaminación del espacio y futuros problemas con la basura espacial. Cuando los satélites desorbitan, gran parte de ellos se destruye durante la reentrada en la atmósfera debido al calor. Esto introduce más material y contaminantes en la atmósfera. ^{[ 41 ] [ 58 ]} Se han expresado preocupaciones sobre el daño potencial a la capa de ozono y la posibilidad de aumentar el albedo de la Tierra , reduciendo el calentamiento pero también resultando en una geoingeniería accidental del clima de la Tierra. ^{[ 43 ]} Después de desorbitar, el 70% de los satélites terminan en el océano y rara vez se recuperan. ^{[ 47 ]}

Se ha propuesto utilizar la madera como material alternativo para reducir la contaminación y los desechos de los satélites que reingresan a la atmósfera. ^{[ 59 ]}

Los desechos espaciales representan un peligro para las naves espaciales ^{[ 61 ] [ 62 ]} (incluidos los satélites) ^{[ 62 ] [ 63 ]} que se encuentran en órbitas geocéntricas o las cruzan, y tienen el potencial de provocar un síndrome de Kessler ^{[ 64 ]} que podría limitar la capacidad de la humanidad para realizar actividades espaciales en el futuro. ^{[ 65 ] [ 66 ]}

Con el aumento del número de constelaciones de satélites , como SpaceX Starlink , la comunidad astronómica, como la IAU , informa que la contaminación orbital está aumentando significativamente. ^{[ 67 ] [ 68 ] [ 69 ] [ 70 ] [ 71 ]} Un informe del taller SATCON1 en 2020 concluyó que los efectos de las grandes constelaciones de satélites pueden afectar gravemente algunos esfuerzos de investigación astronómica y enumera seis formas de mitigar el daño a la astronomía. ^{[ 72 ] [ 73 ]} La IAU está estableciendo un centro (CPS) para coordinar o agregar medidas para mitigar dichos efectos perjudiciales. ^{[ 74 ] [ 75 ] [ 76 ]}

Debido a la baja intensidad de la señal recibida en las transmisiones satelitales, estas son susceptibles a la interferencia de transmisores terrestres. Dicha interferencia se limita al área geográfica dentro del alcance del transmisor. Los satélites GPS son objetivos potenciales de interferencia, ^{[ 77 ] [ 78 ]} pero las señales de telefonía y televisión satelitales también han sido objeto de interferencia. ^{[ 79 ] [ 80 ]}

Además, es muy fácil transmitir una señal de radio portadora a un satélite geoestacionario e interferir así con el uso legítimo de su transpondedor. Es común que las estaciones terrestres transmitan en el momento o la frecuencia incorrectos en el espacio satelital comercial, saturando el transpondedor e inutilizando la frecuencia. Actualmente, los operadores de satélites cuentan con sofisticadas herramientas y métodos de monitoreo que les permiten identificar la fuente de cualquier señal portadora y gestionar eficazmente el espacio del transpondedor.

En general, la responsabilidad civil ha estado cubierta por el Convenio sobre Responsabilidad Civil .