Ingenieros construyen un arma que puede disparar proyectiles que simulan desechos espaciales a 10 km/s


Según la Oficina de Desechos Espaciales (SDO) de la ESA, hay alrededor de 31.630 objetos de desechos en órbita que son rastreados regularmente por las redes de vigilancia espacial. Sin embargo, esto solo da cuenta de los objetos más grandes y no incluye (literalmente) millones de pequeños fragmentos de «basura espacial» que contaminan la órbita terrestre baja (LEO). Según el SDO, esto incluye aproximadamente 36 500 objetos de más de 10 cm de diámetro (~4 pulgadas), 1 millón de objetos de desechos espaciales que miden entre 1 cm y 10 cm (0,4 a 4 pulgadas) y 130 millones de objetos de desechos espaciales que miden entre 1 mm a 1 cm.

Estos objetos representan una amenaza regular para la Estación Espacial Internacional (ISS) y solo empeorarán a medida que se desplieguen «megaconstelaciones» de satélites en LEO y crezca la presencia de la humanidad allí. Para simular los peligros que estos impactos representarán para futuras misiones, un equipo de ingenieros canadienses desarrolló un lanzador impulsado por implosión (IDL) que aceleraría los proyectiles de magnesio a hipervelocidad, hasta 10 kilómetros por segundo (36 000 km/h; 22 370 mph). Esta pistola simulará de manera efectiva el daño que los microobjetos podrían infligir en futuras estaciones espaciales, naves espaciales y satélites.

El equipo estaba formado por ingenieros mecánicos y químicos de la Universidad McGill (Montreal, Quebec) y el Royal Military College of Canada (RMC) en Kingston, Ontario. El estudio que describe sus hallazgos apareció recientemente en línea y está bajo revisión para su publicación en la revista científica Shock Waves. Como describen en su artículo, el IDL mide 8 mm de diámetro y se basa en gas helio comprimido por choque, a una presión de cinco gigapascales (GPa), para lanzar proyectiles de magnesio de 0,36 g. Esto es consistente con los microobjetos que van desde 1 mm a 1 cm de diámetro que son acelerados por la rotación de la Tierra.

Como explicó Higgins a Universe Today por correo electrónico, el blindaje de la ISS es suficiente para soportar colisiones con objetos de menos de 1 cm de diámetro. Para objetos más grandes, rastrearlos en órbita permite cierto grado de advertencia avanzada para que la ISS pueda realizar maniobras de evasión (lo que hace varias veces al año). Los objetos que van de 1 a 10 cm son particularmente peligrosos porque no se pueden rastrear y generan más energía de impacto que la que puede soportar el blindaje actual.

“Probablemente hay decenas de miles de objetos en este rango de tamaño en la órbita terrestre baja. Cuando ocurren estos impactos, los eventos son tan extremos [y las] propiedades de los materiales no se comprenden bien en estas condiciones. Por lo tanto, mientras se realizan simulaciones por computadora de impactos a hipervelocidad, existe una incertidumbre considerable sobre qué tan bien se puede confiar en ellos (el problema de «basura que entra, basura que sale»). Por lo tanto, las pruebas experimentales son necesarias, particularmente a velocidades de 10 km/s y más rápidas”.

Si bien la mayoría de los objetos de desecho en órbita son diminutos, la naturaleza de su velocidad los hace muy peligrosos. En LEO, los objetos se aceleran hasta 8 km/s (28 800 km/h; 17 895,5 mph) debido a la velocidad de rotación de la Tierra.

“Estadísticamente, las colisiones más probables ocurrirán a unos 11 km/s”, agregó. “Aunque la velocidad orbital en LEO es de 8 km/s (porque varios objetos tienen diferentes inclinaciones), el impacto más probable sería una colisión lateral a 11 km/s. El requisito de probar el blindaje de desechos orbitales a mayores velocidades se ha identificado como crítico durante mucho tiempo, incluso por estudios realizados por la Academia Nacional de Ciencias de EE. UU.

Las pruebas de laboratorio que implican impactos a hipervelocidad y protección se han limitado hasta ahora a lanzadores que pueden alcanzar unos 8 km/s. Los intentos de probar objetos a mayores velocidades han sido difíciles debido a las temperaturas y presiones extremas generadas por los lanzadores de gas propulsor. Los lanzadores están aún más limitados, ya que solo pueden disparar proyectiles de menos de 1 gramo (0,035 onzas) de masa. Estos lanzadores, explicó Higgins, se conocen como «cañones de gas ligero»:

“A medida que el gas a alta presión empuja un proyectil por el tubo de lanzamiento, el gas se expande y se enfría y finalmente no puede empujar el proyectil más rápido: el proyectil ha superado al gas. Por esta razón, las pistolas de gas científicas para probar a las velocidades más altas usan hidrógeno o helio como propulsor. Al ser un gas ligero, tienen una alta velocidad de sonido y pueden seguir el ritmo del proyectil, pero incluso entonces, hay un límite.

“Para obtener la mayor presión posible, las pistolas de gas ligero de laboratorio disparan un pistón más grande (usando pólvora u otro gas de alta presión) hacia un cilindro lleno de hidrógeno o helio, comprimiendo el gas ligero a temperaturas y presiones muy altas. Este gas ligero a alta presión luego actúa para empujar el proyectil más pequeño. Por lo tanto, una pistola de gas ligero de dos etapas [ver video arriba]”.

Para sus propósitos, Higgins y sus colegas necesitaban un lanzador que pudiera alcanzar velocidades de más de 10 km/s con proyectiles de más de 2,5 cm (~1 pulgada) de diámetro. Con ese fin, construyeron lanzadores desechables que usaban explosivos de alta potencia para “exprimir” el gas propulsor a condiciones de temperatura y presión muy altas. En este diseño, un tubo impulsado por explosivo reemplaza el “tubo de bomba” impulsado por pistón de la primera etapa. Y aunque los lanzadores son de un solo uso, Higgins y su equipo saben cómo construirlos de forma económica, y todo el metal se recicla después de cada prueba.

Grabación a alta velocidad de un proyectil lanzado por la pistola IDL (click para ver el video completo). Crédito: Andrew Higgins

Sus lanzadores son más compactos debido a la fuente de energía altamente explosiva, que mide aproximadamente 1 metro (3,3 pies) de largo en comparación con las pistolas de gas ligero convencionales que pueden tener decenas de metros de largo. Higgens también proporcionó un video de demostración (que se muestra arriba) y proporcionó a Universe Today más detalles técnicos:

“Una capa de explosivo rodea un tubo lleno de helio. Cuando se detona el explosivo, una onda de detonación barre el tubo y aprieta y comprime el helio, de forma similar a como se exprime un tubo de pasta de dientes casi vacío. Las presiones y la temperatura en el helio pueden llegar a superar las cincuenta mil atmósferas y los 30.000 C, por lo que es capaz de impulsar el proyectil a velocidades de 10 km/s. Los explosivos pueden incluso extenderse sobre el tubo de lanzamiento, para ayudar a contener la presión y continuar exprimiendo el propulsor. Sorprendentemente, el proyectil puede soportar estas presiones y aceleraciones, acercándose a un millón de veces la gravedad de la Tierra, y salir intacto del extremo del tubo de lanzamiento”.

Estos estudios son fundamentales dada la creciente presencia humana en el espacio, la comercialización de LEO y el creciente problema de los desechos orbitales. En particular, existe el temido «Síndrome de Kessler», donde la prevalencia de desechos en órbita provoca rupturas y colisiones que conducen a un efecto en cascada. Según varios modelos, incluso si dejáramos de lanzar satélites a LEO hoy, se prevé que la situación empeore. Pero en la actualidad, los proveedores satelitales de Internet de banda ancha como Starlink y OneWeb no tienen intención de desacelerar o detenerse y quieren hacer crecer sus constelaciones en los próximos años.

Una pieza de escombros golpeó el Canadarm2 en la Estación Espacial Internacional. Crédito: NASA/Agencia Espacial Canadiense

Los costos asociados con las colisiones de desechos espaciales también son una preocupación creciente. En 2019, la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económicos (OCDE) publicó su primer informe titulado “Sostenibilidad espacial”. Como afirma, «las medidas de protección y mitigación de los desechos espaciales ya son costosas para los operadores de satélites, pero los principales riesgos y costos se encuentran en el futuro, si la generación de desechos se sale de control y deja ciertas órbitas inutilizables para las actividades humanas».

“Entonces, este problema no va a desaparecer, y una civilización espacial tendrá que adaptarse al problema de los desechos orbitales”, agregó Higgins. “Cómo evitar futuras colisiones y, dado que las colisiones ocurrirán, cómo proteger mejor las naves espaciales y minimizar la generación de nuevos desechos en tales colisiones. Abordar estos problemas implicará pruebas en el laboratorio, y aquí es donde nuestro lanzador impulsado por implosión puede contribuir, a las mayores velocidades y tamaños de proyectiles más grandes”.

El lanzador impulsado por implosión que construyeron Higgens y sus colegas se está utilizando actualmente para probar muestras de diferentes materiales que intervienen en la creación del Canadarm2. Este brazo robótico de 17 metros (~56 pies) ha sido una parte clave de la ISS desde que se instaló en 2001 y fue fundamental en el montaje de la estación. Desde entonces, ha desempeñado un papel vital en las operaciones de la ISS, donde se utiliza principalmente para acoplar/desacoplar las naves espaciales que llegan y salen. El año pasado, el Canadarm2 sufrió el impacto de una pequeña pieza de basura espacial, ¡pero recibió el golpe como un campeón y siguió funcionando!

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