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Los satélites que nos rodean: órbitas polares, órbitas
geoestacionarias y otras.
Hoy nos parece corriente conocer la ruta que debemos seguir,
vía GPS, para encontrar una calle o un restaurante en una
ciudad que no conocemos en absoluto. También asumimos
que las comunicaciones, incluso las conversaciones a través
del móvil, se llevan a cabo mediante satélites artificiales que
orbitan alrededor de la Tierra. Estamos acostumbrados a ver
en el mapa del tiempo la silueta de la península Ibérica y las
masas nubosas que entran por el Atlántico. A veces nos
preguntamos cómo se produce ese “milagro” de la Ciencia y
de la técnica. Estamos rodeados de más de 2500 satélites
artificiales que orbitan alrededor de la Tierra a diferentes
alturas de la superficie. En este artículo se responde a
preguntas frecuentes sobre los artefactos que giran en torno a
la Tierra: cómo son, cómo se mueven y cómo funcionan?,
cómo se ponen en órbita?, cuánto cuesta ponerlos en
órbita?, cuánto tiempo son operativos?, cuánto duran
en el espacio?, y otras.
Los satélites son objetos que giran alrededor de un planeta
con una trayectoria elíptica, en uno de cuyos focos está el
planeta, en nuestro caso la Tierra (más exactamente, el centro
de la Tierra). La Luna es un satélite natural de la Tierra y tiene
una trayectoria elíptica. Una elipse es una curva plana
cerrada, tal que todos sus puntos tienen la propiedad
siguiente, la suma de las distancias a otros dos puntos fijos,
denominados focos es constante. En la figura 1 se muestra
una elipse con sus dos focos F1 y F2 y en ella se indica que la
suma de las distancias r1 + r2 es la misma para todos los
puntos de la elipse. La mitad del segmento diametral mayor se
llama semieje mayor y la mitad del segmento diametral menor
se denomina semieje menor. El hecho de que una elipse sea
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más o menos “ovalada” se conoce como “excentricidad de la
elipse” y tiene relación con la distancia entre los dos focos y
también con la relación entre el semieje menor, b, y el semieje
mayor, a. Cuando ambos semiejes son iguales, la elipse es
una circunferencia. La excentricidad de la elipse ε se mide
mediante el cociente entre la mitad de la distancia entre los
focos y el semieje
mayor, ε =
F1 F2 / 2
a
Por ejemplo, la
órbita de la Luna
es
muy
poco
excéntrica,
casi
circular ε = 0,055.
r2
A
apogeo
r1
F2
b
F1
a
P
perigeo
Figura 1. Órbita elíptica, muy excéntrica, con sus focos,
F1 y F2, semiejes mayor, a, y menor, b, y los puntos más
cercano, P (perigeo), y el más alejado, A (apogeo)
Muchos satélites de telecomunicaciones tienen órbitas polares
circulares, o sea, describen
órbitas de polo a polo y su
período de revolución (tiempo
que tarda en dar una vuelta
completa) depende de la altura.
Suelen
estar
a
alturas
comprendidas entre 800 km y
1200 km, y sus períodos Fig. 2 La ISS en su órbita
polar alrededor de la Tierra
oscilan desde poco más de 1,5
da una vuelta en 92 minutos.
h a 2,5 h. La Estación Espacial
Internacional (ISS) sigue una órbita polar de unos 450 km de
altura (figura 2). Los satélites espía tienen órbitas más
excéntricas, con una altura baja en el perigeo, de unos 300
km, precisamente para poder “capturar” mejor todo lo que
ocurre en la superficie terrestre.
Una cuestión por la que me preguntan a menudo mis alumnos
de bachillerato es la ingravidez de los objetos y los
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astronautas en órbita. Naturalmente que hay gravedad, si no
fuera así, los satélites y los astronautas no podrían orbitar.
Nos hemos acostumbrado a ver en la televisión que en la
Estación Espacial Internacional, todo parece flotar. En
realidad se trata de “ingravidez aparente”, porque todos los
objetos, los astronautas y el propio satélite tienen la misma
aceleración de la gravedad, que es la responsable del giro
orbital. O sea, la aceleración de cualquier objeto respecto a
otro dentro del satélite es nula.
El movimiento circular o elíptico de un satélite es debido a la
fuerza gravitatoria de la Tierra sobre él. Si un satélite se
colocara en reposo a la altura de su órbita, caería
verticalmente sobre la tierra. Pero si se lanza tangencialmente
con suficiente velocidad desde la altura a la que desea que
gire, estará orbitando permanentemente (siempre que la altura
sea suficientemente grande como para que no haya
atmósfera). El propio Isaac Newton
(1643-1729) tenía claro que si se
lanzaba un objeto desde una gran
altura con suficiente velocidad
tangencial (en la figura 3 con mayor
velocidad que en la trayectoria G),
daría vueltas elípticas en torno a
nuestro planeta, debido a la fuerza
Figura 3. Trayectorias de un
de atracción gravitatoria de la
cuerpo lanzado desde una gran
Tierra.
altura a diferentes velocidades.
Para poner en órbita un satélite se
utilizan cohetes capaces de subirlo hasta la altura necesaria y
lanzarlos con la velocidad requerida para la órbita deseada.
Ello supone que el cohete ha de ser propulsado por turbinas
de enorme potencia, las cuales emplean combustibles sólidos
y líquidos. El cohete lanzadera europeo de la Agencia
Espacial Europea (ESA), llamado Ariane 5, dispone de dos
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propulsores laterales de combustible sólido
(perclorato de amonio, muy explosivo), que
funcionan durante 130 s, además un propulsor
alimentado por hidrógeno y oxigeno (ambos muy
fríos en grandes compartimentos separados, en
estado líquido) que funciona unos minutos, un
tanque menor de hidracina líquida y, por último,
un motor iónico de gas xenón. Todo ello para
lanzar el satélite a más de 7,6 km/s. El
lanzamiento de cada kg de satélite cuesta unos
12000 euros.
Los GPS (acrónimo en inglés de “Sistema de
Posicionamiento Global”), está controlado por 24 satélites que
orbitan a 20.200 km de altura, con trayectorias no polares
sincronizadas para cubrir toda la superficie de la Tierra. La
ESA culminó el lanzamiento de los 30 satélites europeos
destinados a determinar la posición de un usuario ubicado en
cualquier punto de la Tierra (sistema Galileo), compatible con
el americano GPS. Las órbitas están situadas a gran altura
(23616 km) en tres planos circulares
diferentes, de modo que se
consigue una precisión menor de un
metro. El posicionamiento del objeto
necesita un mínimo de cuatro
satélites. El sistema ruso Glonass
Consta de 31 satélites situados en
tres planos orbitales de 64,8º de
inclinación y 8 satélites cada uno a
una altura de 19000 km. Los teléfonos móviles e INTERNET
también funcionan por medio de satélites.
Un tipo de satélites muy útiles, porque recogen
constantemente datos de una zona determinada de la Tierra;
son los ubicados en posición ecuatorial, a unos 36000 km de
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altura, son los satélites geoestacionarios. Están sobre un
punto fijo del Ecuador y tienen un período de revolución de 24
horas, lo que significa que siempre están encima del punto del
Ecuador sobre el que se encuentran. Es el caso de satélites
meteorológicos como el
METEOSAT-10. En la
figura
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se
ha
representado la Tierra y
un satélite en órbita
Fig. 5 Los satélites geoestacionarios giran
geoestacionaria.
con el periodo de rotación igual al de la
Tierra (24 horas).
Los satélites estarán para
siempre en el espacio si se hallan fuera de la atmósfera (por
encima de 1000 km de altura), pero sólo serán operativos
mientras las baterías pueden recargarse correctamente (por
ejemplo, mediante paneles solares) y su tecnología de
comunicación no sea obsoleta (máximo 10 años). Ha de
quedar energía para desviarlos a otras órbitas para que no
estorben. Preocupa la basura espacial, porque más de
110.000 objetos entre 1 cm y 10 cm de tamaño han sido
detectados orbitando nuestro planeta. La mayoría son restos
de artefactos que se desprendieron de viejos satélites
apagados que dejaron de funcionar hace tiempo. Los objetos
de la basura espacial pueden chocar contra satélites
operativos y producir daños irreparables. Por ello, los
gobiernos se han planteado sistemas de captación
(“limpieza”) de la basura espacial, de modo que no se vea
comprometido el desarrollo tecnológico espacial.
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