¿Cómo funcionan los satélites? ¿Por qué vuelan sin combustible y no se caen?

Cuando comenzaron a surgir las primeras ideas sobre como crear Science Driven, uno de los primeros artículos que quería escribir era este, ya que por un lado, me fascina la ciencia detrás de los satélites y por otro lado, creo que es algo que el público general no conoce, por lo que me parecía muy interesante explicarlo.

Desde hace muchas décadas tenemos satélites volando alrededor de la tierra, que nos dan soporte para comunicaciones, control meteorológico, navegación terrestre y marítima (GPS) y muchos otros usos.

Los satélites se lanzan al espacio y se quedan dando vueltas a la tierra, trabajando sin descanso, hasta que se averían o algo los destruye.

Pero, ¿cómo es posible que funcionen sin descanso? Como vuelan? De dónde sacan toda esa energía?

Sputnik 1

El primer satélite que se lanzó al espacio fue el Sputnik 1, un logro técnico histórico lanzado por la Unión Soviética el 4 de octubre de 1957. Este evento marcó el inicio de la era espacial y la carrera espacial entre la Unión Soviética y los Estados Unidos y tuvo un profundo impacto político y cultural durante la Guerra Fría. Este satélite, el primero en orbitar la Tierra, fue desarrollado por el ingeniero soviético Sergei Korolev, que dirigió el diseño y la construcción del artefacto y su vehículo de lanzamiento.

Este evento impulsó a Estados Unidos a incrementar sus esfuerzos en la carrera espacial, lo que eventualmente llevó al desarrollo de su propio programa espacial y el lanzamiento de satélites, lo que condujo a la creación de la NASA y a un aumento significativo en la inversión en ciencia y tecnología educativa en los Estados Unidos.

El Sputnik 1 era una esfera metálica de aluminio pulido con un diámetro de 58 centímetros y un peso de unos 83kg. Estaba equipado con cuatro antenas largas y 2 transmisores para transmitir señales de radio (beeps) a la Tierra, que servían para que científicos y radioaficionados confirmaran su presencia en el espacio. Además, ayudaron a recopilar datos importantes sobre la densidad de la ionosfera y las condiciones del espacio exterior.

El satélite completaba una órbita alrededor de la Tierra aproximadamente cada 96 minutos. El Sputnik 1 solo funcionó durante 21 días antes de que sus baterías se agotaran y cayó de órbita en enero de 1958, su legado perdura como el detonante e impulsor de la era espacial moderna.

Foto: Sputnik 1

Vanguard 1

El Vanguard 1 corrigió el gran problema que tenía el Sputnik 1, las baterías.

Lanzado por los Estados Unidos el 17 de marzo de 1958. Este satélite era parte del Proyecto Vanguard y marcó un avance significativo en la tecnología espacial, al ser el primer satélite en emplear energía solar, en lugar de baterías, para alimentar sus instrumentos.

Vanguard 1 era un pequeño satélite esférico, con un diámetro de apenas 16.5 cm y un peso de aproximadamente 1.5 kg. Los paneles solares estaban montados en el cuerpo del satélite y alimentaban un transmisor de radio, lo que permitió que continuara enviando información mucho después de que los satélites anteriores con baterías hubieran cesado de funcionar. Aunque la energía generada era muy pequeña, fue suficiente para mantener operativo el transmisor.

Vanguard 1 sigue siendo uno de los satélites más antiguos que todavía orbita la Tierra, y su éxito con la energía solar fue un hito que todavía perdura hasta hoy.

Foto: Vanguard 1

Actualmente, todos los satélites generan su propia energía para su el funcionamientos de sus sensores, antenas, microprocesadores, lentes y toda la tecnología que utilizan para sus operaciones diarias.

Los satélites no cuentan con ningún tipo de motor ni elemento que los mueva ni los mantenga a ninguna altura de forma constante (aunque si tiene unos propulsores para corregir desvíos puntuales provocados por agentes externos). Tampoco consumen ningún tipo de energía para su movimiento, salvo en la fase de lanzamiento.

Su funcionamiento es mucho más simple y la vez fascinante de lo que parece.

¿Cómo vuelan los satélites?

Esto es posible gracias a un delicado equilibrio de fuerzas y a 3 principales factores: La fuerza centrífuga producida por su movimiento circular alrededor de la tierra, la fuerza gravitacional, provocada por la atracción gravitatoria de la Tierra y la ausencia de rozamiento en el espacio, que le permite que una vez puesto en órbita nada lo frene y gire eternamente.

• Fuerza centrífuga: La misma que tiene la ropa cuando gira en la lavadora o la que hace que un coche derrape en una curva. La fuerza centrífuga es la que impulsa a cualquier objeto que gire en círculos hacia el exterior del círculo. Esta es la fuerza que siente el satélite moviéndose en una trayectoria circular, apuntando hacia fuera, alejándolo de la Tierra.

  La fórmula de la fuerza centrífuga es

  \( F = m \cdot r \cdot \omega^2 \)

  Que es igual a la masa del satélite (m), multiplicada por la distancia del satélite al centro de la tierra (r), multiplicada por el cuadrado de la velocidad angular del satélite (w)

• Fuerza gravitatoria: Es la fuerza con la que el campo gravitatorio de la tierra "tira" del satélite hacia el centro de la tierra, es decir, hacia el suelo.

  Su fórmula es:

  \( F = G \frac{m_1 m_2}{r^2} \)

  Que es igual a la constante gravitacional G (\(6.674 \times 10^{-11} \, \text{m}^3 \text{kg}^{-1} \text{s}^{-2} ,\)) multiplicada por las masas de la tierra y del satélite y dividido por el cuadrado de la distancia entre el satélite y el centro de la tierra.

Y aquí es donde viene la magia de la ciencia, como la fuerza centrífuga, empuja al satélite hacia el espacio exterior y la fuerza gravitatoria tira del satélite hacia el centro de la tierra, el punto en el que el satélite se mantiene estable es cuando la fuerza gravitatoria es igual a la fuerza centrífuga, entonces se anulan mutuamente y el satélite puede continuar girando eternamente.

Si analizamos ambas fórmulas, tenemos los siguientes factores: Masa del satélite, distancia entre el satélite y la tierra, velocidad del satélite, la constante G y la masa de la tierra.

Como las masas de la tierra y el satélite no varían y la constante G tampoco, nos queda que el equilibrio de ambas fuerzas depende únicamente de 2 valores, la altura del satélite sobre la tierra y su velocidad, por lo que si necesitamos una velocidad determinada, solo tenemos que ajustar la altura y si queremos que vuele a una altura determinada, solo tenemos que ajustar su velocidad.

Este equilibrio de fuerzas, junto a la ausencia de rozamiento, permite que un satélite pueda girar indefinidamente alrededor de la tierra sin necesidad de motores ni ningún tipo de propulsión, solamente física.

¿Cómo se pone en órbita un satélite?

En primer lugar, según lo comentado hasta ahora, es necesario calcular la altura y la velocidad a la que necesitamos que orbite el satélite alrededor de la tierra, dependiendo del uso que se quiera hacer de él, de si es geoestacionario o no, etc, etc...

Una vez que tenemos definida la altura y la velocidad a la quede colocarse, el satélite se monta en un cohete espacial que se encarga de viajar hasta la altura indicada y cuando alcance la velocidad necesaria, soltar el satélite para que comience su viaje y pueda hacer sus tareas con normalidad. El satélite puede necesitar realizar maniobras usando sus propios propulsores para ajustarse a su órbita final con precisión. Esto puede incluir cambios en la altitud, inclinación o posición dentro de una órbita.

Satélites geoestacionarios vs no geoestacionarios

Los satélites geoestacionarios son aquellos que se mantienen fijos encima de un punto concreto de la tierra, de forma que siempre ven la misma porción de la tierra. Esto se consigue poniendo el satélite en una órbita geoestacionaria, es decir, colocando al satélite a una velocidad exactamente igual a la velocidad a la que gira la tierra sobre sí misma, de tal forma, al ir siempre a la misma velocidad, la posición relativa del satélite sobre la tierra es siempre la misma. Como vimos anteriormente, el equilibrio depende únicamente de la velocidad y la altura, por lo que al saber que la velocidad debe ser la misma que la de tierra, solo hace falta calcular la altura a la que poner el satélite.

Como la velocidad de la tierra es constante, esto implica (tras hacer el cálculo) que la altura de todos los satélites geoestacionarios es de 35.786 km sobre el centro de la tierra, creando de esta manera la conocida como órbita geoestacionaria, en la que todo satélite que se ponga en ella se quedará siempre sobre el mismo punto de la tierra, por lo que dan una vuelta a la tierra cada 24h.

Esta forma de colocar los satélites es común en los satélites de control climático y de telecomunicaciones, ya que tienen que operar siempre sobre las mismas zonas.

Los satélites no geoestacionarios entonces, son aquellos que se colocan en cualquier otra órbita, ajustando la velocidad en función de la altura a la que se coloquen. Suelen colocarse en órbita baja terrestre (LEO), órbita media terrestre (MEO), y órbitas polares, entre otros.

Su altitud puede variar desde tan solo unos cientos de kilómetros sobre la Tierra hasta unos cuantos miles. Por lo general, suelen operar a órbitas mucho más bajas que los geoestacionarios, por lo que su velocidad es mayor.

Los satélites no geoestacionarios en órbitas más bajas (como LEO y MEO) deben moverse más rápido que los geoestacionarios para mantener su órbita debido a la mayor fuerza gravitacional a menor altitud.

Los satélites no geoestacionarios suelen utilizarse para fotografía terrestre, cartografía, GPS y comunicaciones avanzas, como los satélites de la red Starlink de Elon Musk, que proveen de internet de altas prestaciones a todo el planeta, gracias a que su distancia mínima con la tierra hacen que las conexiones tengan una latencia muy pequeña.

Curiosidades:

• Los “Sprites” o "ChipSats" son los satélites más pequeños, con un tamaño de aproximadamente 3.5 cm cuadrados. Es un satélite low cost para usos educativos y de investigación desarrollado por la Universidad de Cornell (EEUU)
• Los satélites deben realizar correcciones orbitales periódicas debido a diversas interferencias externas. La gravedad de la Luna y del Sol, así como las irregularidades en la forma de la Tierra (como el achatamiento en los polos y el abultamiento en el ecuador), pueden alterar las trayectorias previstas de los satélites.
• El Vanguard 1, lanzado en 1958, es uno de los satélites más antiguos aún en órbita, aunque ya no está operativo.
• Algunos satélites de comunicaciones son tan grandes como un autobús escolar, como los ViaSat y los Intelsat.
• Existen miles de fragmentos de satélites inactivos y otros escombros en el espacio, conocidos colectivamente como basura espacial.
• Los satélites espía han estado en uso desde la década de 1960 para recoger inteligencia mediante la observación de actividades en otros países.
• Los satélites en órbita baja terrestre pueden viajar a velocidades de hasta 28,000 kilómetros por hora.
• Starlink de SpaceX, fundada por Elon Musk, proporciona cobertura de internet global mediante constelaciones de miles de satélites de muy baja altura.
• La red de satélites del Sistema de Posicionamiento Global (GPS) consiste en únicamente 24 satélites, que permiten la localización precisa en cualquier parte del mundo.
• El primer satélite en tomar imágenes completas de la Tierra fue el ATS-3 en 1967.
• Los satélites en órbitas polares pasan sobre los polos terrestres y pueden ver cada parte del planeta a medida que gira.
• Algunos satélites desactivados son reorientados y reutilizados para nuevas misiones en lugar de ser desechados.
• Japón está investigando el uso de madera para construir satélites para reducir la basura espacial.
• Los satélites geoestacionarios tienen una vida útil promedio de 10 a 15 años, después de lo cual se mueven a una órbita cementerio.
• La Luna es el satélite natural más grande de la Tierra y ha sido clave en el entendimiento de cómo los satélites pueden ser utilizados para la exploración espacial.
• Aunque no son frecuentes, las colisiones entre satélites han ocurrido. Un ejemplo notable es la colisión en 2009 entre el satélite Iridium 33 de EE.UU. y el satélite inactivo Cosmos-2251 de Rusia. Este evento generó miles de fragmentos de basura espacial, aumentando el riesgo de futuras colisiones.
• Estados Unidos lidera la cantidad de satélites en órbita (cerca de 6.000), seguido por China y Rusia. Estos países tienen programas espaciales avanzados y lanzan satélites para una variedad de propósitos, incluyendo comunicaciones, investigación científica y aplicaciones militares.
• El concepto de guerras en el espacio se ha explorado en términos de la capacidad de algunos países para interceptar y destruir satélites. Por ejemplo, en 2007, China realizó una prueba anti-satélite, donde un misil chino destruyó un satélite meteorológico propio, generando críticas internacionales y un campo de escombros en órbita.
• Aunque no es común, algunos satélites han sido recuperados de vuelta en la Tierra después de completar su misión. El Transbordador Espacial de la NASA fue notablemente utilizado en varias misiones para recuperar satélites, como el Long Duration Exposure Facility (LDEF) y satélites de comunicaciones que luego fueron reparados o actualizados y relanzados.
• En un giro cómico, en 1978, el Consulado Soviético en San Francisco emitió un “ticket de estacionamiento” al satélite espía estadounidense KH-11 por “estacionarse” sobre territorio soviético. Aunque fue una broma, este evento destaca las tensiones durante la Guerra Fría relacionadas con la vigilancia satelital.

Y se acabó el artículo :(

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