MOVIMIENTOS ORBITALES I. SATÉLITES TERRESTRES

 

 

Sobre un satélite en órbita circular actúa la fuerza de atracción gravitatoria que le ejerce la Tierra, dirigida hacia el centro de ella. Por tanto, su aceleración es normal (de dirección perpendicular a la trayectoria en cada instante) y su valor es proporcional al cuadrado de la velocidad orbital del satélite e inversamente proporcional al radio de la misma. Teniendo esto en cuenta, se obtiene la siguiente expresión de la velocidad del satélite (deducción en este este documento):

 

 

Esta expresión dice que la velocidad del satélite depende exclusivamente de una constante y de la distancia a la Tierra. A cada distancia le corresponde una velocidad orbital y también un determinado periodo o tiempo que tarda el satélite en recorrer esa órbita (deducción de la relación entre el periodo y el radio de la órbita aquí). Por ello, los satélites artificiales se denominan en función de la órbita: GEO, LEO, MEO y HEO.

 

 

GEO es abreviatura de órbita terrestre geo-síncrona o geoestacionaria, que es aquella en la que el satélite se sitúa siempre encima del mismo punto de la superficie terrestre. Se llama también órbita de Clarke, que en 1945 escribió acerca de esta posibilidad. Tiene la ventaja de que permite el uso de antenas fijas, sin necesidad de cambiar su orientación para mantener un contacto permanente con el satélite. También la de que se precisan pocos satélites para cubrir la totalidad de la superficie de la Tierra (con tres se proporciona una cobertura continua de más del 75° de latitud). Estas dos propiedades hacen que la órbita geoestacionaria sea óptima para las comunicaciones.

Para recorrer una órbita estacionaria, el satélite tiene que orbitar en un plano paralelo al ecuador y a la distancia adecuada para que su periodo sea igual al tiempo que tarda la Tierra en dar una vuelta alrededor de su propio eje (24 horas). Esta distancia supone una altitud de 35.786km sobre el ecuador terrestre, siendo el radio de la órbita estacionaria del orden de 6.6 veces el radio de la Tierra.

 

Es, por tanto, una órbita muy alejada, en la que habitan la mayoría de los satélites de telecomunicaciones y meteorológicos. Debido a su alejamiento tiene el inconveniente de provocar un retraso o latencia de 0.24 segundos entre las señales enviada y recibida del satélite. Otra dificultad se debe a la saturación de satélites en la órbita. Como muestra la imagen adjunta (fuente: ESA, Agencia Espacial Europea), los satélites de la órbita geoestacionaria forman una especie de cinturón virtual. En dicho cinturón los satélites necesitan tener unas posiciones orbitales específicas, manteniéndose lo suficientemente alejados unos de otros (unos 1600 kilómetros o dos grados).  La ITU (Unión Internacional de Telecomunicaciones) y la FCC (en los Estados Unidos) administran estas posiciones.

 

 

 

Por su parte, el Comité Internacional de Coordinación de Escombros Espaciales gestiona el destino de los satélites cuando dejan de estar operativos y recomiendan a las Agencias de todo el mundo que trasladen sus aparatos fuera de uso hacia una órbita más externa (situada a algo más de 300 kilómetros sobre la órbita geoestacionaria) llamada orbita cementerio (representada con una línea de color amarillo en la figura adjunta)

 
La órbita más valiosa para los satélites de comunicaciones empieza a estarsaturada (El país, 19.09.2000)
 
La órbita en la que se ‘entierran’ los satélites artificiales (EL país, 24.08.2017)
 

Fuera de la órbita geoestacionaria la posición relativa de los satélites respecto a la superficie no es fija, pero ello no impide que sea muy útil colocar satélites a otras distancias:

 
  ORBITA ALTURA APLICACIONES  
  LEO (órbita de baja altura) Por debajo de 5035km, aunque la mayoría de ellos mucho más abajo, entre 600km y 1600km Buscapersonas, telefonía móvil, transmisión de datos  
  MEO (órbita de media altura) Entre 10075km y 20150km Posicionamiento  
  GEO (órbita geo-estacionaria) 35.786km Telecomunicaciones  
  HEO (órbita excéntrica "Molniya") Elíptica muy excéntrica (70.000Km/1.000 Km) e inclinada (alrededor de 63 º ) Telecomunicaciones  
 

Desde que comenzó la era espacial se ha ido agravando paulatinamente el problema de acumulación de residuos en el espacio y se estima que actualmente hay unos 170 millones de fragmentos de basura espacial de tamaño superior a un milímetro, 670.000 de los cuales son mayores de un centímetro y 29.000 de más de 10 centímetros. Esta basura espacial se acumula especialmente en las órbitas LEO comprendidas entre 800 y 1.000 kilómetros de altura sobre la superficie terrestre. En esta órbitas más próximas a la Tierra los satélites tienen una velocidad elevada y esto hace que incluso los fragmentos más pequeños supongan un peligro para los artefactos espaciales funcionando, ya que su impacto puede afectar a partes vitales del mismo. Pero cuando tienen ya un tamaño considerable, los efectos pueden ser catastróficos. Por ejemplo, el 10 de febrero de 2009 colisionaron a unos 800km de altura un satélite estadounidense de comunicaciones (Iridium-33) y un satélite militar ruso (Kosmos-2251). Ambos quedaron destruidos y se generaron más de 2.200 escombros observables.

 

 

Frente al problema de la basura espacial  los ingenieros de la ESA estudian diferentes opciones para recoger y eliminar los residuos. Una de las ideas que se están formulando es usar algún tipo de artefacto que salga al espacio, se aproxime a un viejo satélite apagado y lance una gran red para capturarlo y conducirlo hacia su destrucción controlada. Otra estrategia posible sería la pesca de fragmentos de basura espacial con una especie de arpón para enganchar y arrastrar el desecho.

Urge limpiar el espacio (El país, 25/04/2013)

 

Nos referimos finalmente a la energía de un satélite en órbita circular alrededor de la Tierra. Después de sustituir la expresión de su velocidad en la fórmula que calcula la energía cinética y sumarla a la energía potencial (deducción en este documento), se obtiene que la energía mecánica del sistema Tierra-satélite es:

 

 

Dicha energía es negativa porque la Tierra y el satélite forman un sistema ligado (la fuerza de atracción gravitatoria mantiene “unidos” a los dos cuerpos, a una distancia, r). Por supuesto, esto no significa que no haya que aportar energía a un cuerpo para colocarlo en órbita. La energía necesaria para hacerlo es el incremento (positivo) de esta magnitud desde que se lanza el cuerpo hasta que está orbitando.

 
 

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Departamento de Física y Química del IES "Leonardo Da Vinci"