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Como salvar o céu noturno das megaconstelações de satélite

Uma simulação da rede completa de satélites Starlink quando seus primeiros 12.000 satélites estiverem ativos. Essa rede fornecerá cobertura global quase total, continuamente, com 30.000 adicionais solicitados. Embora fornecer internet de alta velocidade globalmente seja um objetivo nobre, destruir a astronomia terrestre, a astrofotografia e até mesmo a observação de estrelas como hobby deve ser considerado um dano colateral extraordinário. (SPACEX / STARLINK)

O GPS é a chave, mas os astrônomos não podem fazer isso sem ajuda.

Desde 2019, o céu noturno – visto pelos olhos humanos e pelos telescópios que usamos para melhorar nossas visões do Universo – começou a mudar fundamentalmente como nunca antes. Anteriormente, apenas três grandes obstáculos interferiam em nossas visões do Universo:

1. poluição luminosa, provocada pelo avanço da iluminação elétrica e agravada pelo recente advento de LEDs de baixo custo, baixo consumo e alto brilho,
2. a atmosfera, incluindo nuvens, clima e condições do ar, todos os quais podem interferir em nossa visão dos planetas, estrelas e objetos do céu profundo além,
3. e satélites, os objetos criados pelo homem que só começaram a ser lançados com o advento da era espacial, a maioria dos quais estava lá em cima para fins científicos ou de telecomunicações.

No entanto, apenas dois anos atrás, um enorme número de satélites brilhantes e voando baixo começou a subir, quando primeiro a SpaceX e depois outras começaram a lançar as primeiras megaconstelações de satélites. Ocupando a órbita baixa da Terra, esses membros da megaconstelação agora representam quase metade de todos os satélites ativos, e espera-se que cheguem às dezenas ou mesmo às centenas de milhares até o final da década. No entanto, em meados de julho, astrônomos e representantes da indústria se reuniram para SATCON2 : uma tentativa de reunir profissionais preocupados para identificar e encontrar soluções para os problemas que acompanham esse novo tipo de infraestrutura.

Sem uma ação significativa, rápida e em larga escala, o céu noturno provavelmente mudará para sempre. Aqui está o que podemos fazer sobre isso.

A estrela brilhante Albireo, um sistema estelar duplo proeminente e colorido que é membro do Triângulo de Verão, foi fotografado em 26 de dezembro de 2019. Durante 10 exposições com duração de 150 segundos cada, um trem de satélites Starlink passou por essa mesma região do céu. Embora esse efeito de estrias tenha implicações significativas para a astronomia profissional e amadora, não é o único impacto, nem mesmo o mais preocupante. (RAFAEL SCHMALL)

Não apenas sobre estrias . Quando se trata da questão de como os satélites em órbita baixa da Terra afetam a astronomia? há um conjunto óbvio de respostas. Para observadores a olho nu, os satélites, principalmente quando estão sob luz solar direta e próximos da Terra, parecerão brilhantes e reflexivos, movendo-se pelo céu à medida que passam por cima. Para astrônomos amadores e astrofotógrafos, eles aparecerão através da ocular do seu telescópio, criando trilhas e/ou listras se você tentar criar fotografias de longa exposição. E para observatórios profissionais, particularmente aqueles com visão de campo amplo, os satélites refletivos causarão uma enorme perda de dados, com o observatório Vera Rubin esperando ver 30 a 40% de suas exposições poluídas por esses satélites recém-lançados.

Até agora, mitigações se concentraram em grande parte neste problema específico , que incluiu recomendações de que:

• os provedores de satélite enviam apenas o número mínimo de satélites necessários para atender aos seus requisitos de largura de banda/latência,
• os satélites sejam mantidos a um máximo de 600 km de altitude e um brilho abaixo da 7ª magnitude astronômica (abaixo do limiar a olho nu), para minimizar seu tempo e impacto iluminados,
• que os provedores de satélite forneçam dados posicionais precisos e atualizados continuamente, com barras de erro, em um formato único e universal,
• que o software de mitigação e gerenciamento existente seja generalizado e que um novo software seja criado,
• que o desenvolvimento de hardware para mitigar o que o software não pode (particularmente para espectroscopia) ser desenvolvido,
• e que o financiamento seja alocado para todos esses empreendimentos.

No entanto, este é apenas o impacto mais imediato e óbvio dessas megaconstelações, mas há preocupações muito mais amplas. Aqui estão alguns que você pode não ter considerado - ou mesmo ouvido - antes.

Um intervalo de 20 minutos mostrando a aproximação mais próxima de dois satélites em órbita no espaço. Observe que, cerca de uma vez por minuto, dois satélites chegam a aproximadamente 2 quilômetros um do outro, com muitos satélites chegando ainda mais perto do que isso. À medida que o número de satélites aumenta, o risco de colisões de satélites aumenta muito rapidamente. (MORIBA JAH / REUNIÃO EUROPEAN ASTRONOMICAL SOCIETY SUMMER 2021)

1.) Aglomeração orbital e seus perigos . Atualmente, existem menos de 4.000 satélites ativos em órbita baixa da Terra e, ainda assim, os riscos permanecem. Com aproximadamente cada minuto ou dois que passam, dois satélites passam dentro de ~ 2 quilômetros um do outro a velocidades normalmente superiores a 10.000 metros por segundo (22.400 mph). Mesmo com sistemas automatizados de prevenção de colisões incorporados a esses novos satélites, permanecem riscos substanciais, e esses riscos só aumentam à medida que o número de satélites continua a aumentar. Com mais de 100.000 satélites previstos em órbita baixa da Terra até o ano de 2030, há uma série de riscos existenciais para a superlotação orbital.

Quando ocorrem colisões, eles enviam um grande número de fragmentos de detritos em movimento rápido por todo o espaço. Se houver mais do que um número crítico de satélites - como ~ 100.000 deles a ~ 500 km de altitude - isso pode desencadear uma reação em cadeia descontrolada de colisões: síndrome de Kessler. Cascatas de colisões, mesmo com menos ou mais populações de satélites espalhadas, ainda ocorrerão, e colisões ocorrendo em altitudes mais altas criarão anéis de detritos espaciais que persistirão por milênios, em vez de anos ou décadas. Eventos inevitáveis, como explosões solares que interrompem a eletrônica ou interferência de satélites inativos ou não funcionais, servirão apenas para aumentar os riscos associados à aglomeração orbital.

Apesar dos riscos conhecidos, não foram feitos esforços substanciais no sentido de uma coordenação internacional que defina uma capacidade de carga para várias órbitas e as trate como um recurso acessível e regulado.

Em 18 de novembro de 2019, aproximadamente 19 satélites Starlink passaram sobre o Observatório Interamericano Cerro Tololo, interrompendo as observações astronômicas e dificultando a realização da ciência de maneira real e mensurável. Se os planos atuais da SpaceX, OneWeb e outros provedores de satélite se desenrolarem conforme o estabelecido, as consequências para a astronomia serão extraordinárias. (CLARA MARTÍNEZ-VÁZQUEZ / CTIO)

2.) O crescente problema da poluição luminosa por satélite . Se você colocasse um humano com visão perfeita em todos os pontos da Terra e todos observassem o céu noturno simultaneamente, veríamos um total de cerca de 6.000 estrelas. Se você desse a esses mesmos humanos um par de binóculos, o número de estrelas únicas aumentaria para ~ 100.000. Essas estrelas não apenas brilham como pontos individuais, mas também iluminam o céu noturno da Terra: sua luz afeta o brilho total do céu. Embora a poluição luminosa do solo também possa afetar o brilho total do céu, reduzindo a visibilidade de estrelas e objetos do céu profundo, essas megaconstelações criarão uma nova forma de poluição luminosa: a luz refletida que contribui para o brilho geral do céu da Terra.

Satélites maiores podem oferecer larguras de banda maiores, mas são mais brilhantes. Satélites de maior altitude podem cobrir uma área maior da superfície da Terra de uma só vez, mas cada um ilumina uma porção maior dos céus da Terra. E os satélites que não funcionam vão cair e girar, aumentando seu brilho médio e causando picos em sua refletividade: flares. Quanto mais satélites enviarmos – assim como os efeitos cumulativos de todos os detritos colisais e satélites extintos, mas ainda em órbita – contribuirão para esse problema.

Se não fizermos nada para gerenciar ou limitar esse problema, mesmo os locais mais primitivos da Terra, em termos de poluição luminosa atual, podem se tornar inutilizáveis ​​para a astronomia terrestre durante o período de uma única geração.

Milhares de objetos feitos pelo homem – 95% deles lixo espacial – ocupam a órbita baixa e média da Terra. Cada ponto preto nesta imagem mostra um satélite em funcionamento, um satélite inativo ou um pedaço grande o suficiente de detritos. Os satélites 5G atuais e planejados aumentarão muito o número e o impacto que os satélites têm nas observações ópticas, infravermelhas e de rádio tiradas da Terra e tiradas da Terra do espaço, e aumentarão o potencial da síndrome de Kessler. Os satélites geossíncronos estão 50 a 100 vezes mais distantes do que os satélites em órbita mais baixos mostrados aqui. (ESCRITÓRIO DO PROGRAMA ORBITAL DEBRIS DE CORTESIA DE ILUSTRAÇÃO DA NASA)

3.) Falhas de satélite e a marcha de detritos . Dos ~1700 satélites Starlink que foram lançados, a maioria de qualquer megaconstelação no momento, cerca de 1% deles falharam e estão atualmente fora de controle . Embora essa seja uma taxa de sucesso notavelmente alta e que pareça estar aumentando com o tempo, essas falhas aumentarão com o tempo. Em altitudes abaixo de ~600 km, pode levar anos ou décadas para que um satélite com falha desorbite naturalmente; em altitudes de ~1000 km ou acima, pode levar milênios. Não há como, pelo menos no momento, limpar os satélites que falham do ambiente espacial. Além disso, um satélite com falha não tem capacidade de evitar colisões ou controlar sua orientação; ele representará um risco constante para todas as outras naves espaciais ou satélites que cruzarem sua órbita descontrolada.

O maior problema é que esses impactos são cumulativos. Se 1% de seus satélites falharem e seus ~ 100.000 satélites tiverem apenas uma vida útil de 5 anos, então ao longo de um século, você precisará lançar um total de 2.000.000 satélites e ~ 20.000 deles falharão! Eles apresentarão riscos de colisão, refletirão a luz do sol e iluminarão o céu noturno da Terra, riscarão, piscarão e poluírão imagens astronômicas e criarão um campo minado para nossos satélites científicos e missões de exploração tripuladas e não tripuladas.

Quanto mais continuarmos aplicando o modelo de eletrônicos de consumo – de produtos descartáveis, substituíveis e baratos – às constelações de satélites, mais preocupante e impactante esse problema se tornará.

A chuva de meteoros Leonid de 1997, vista do espaço, mostra pequenos fragmentos de material do espaço, em grande parte partículas rochosas, que atingem e queimam na atmosfera da Terra. De todos os meteoróides que atingem nosso planeta, cerca de 54 toneladas de massa entram em nossa atmosfera diariamente. A maior parte é oxigênio e silício; uma pequena porcentagem são vários metais. (NASA / DOMÍNIO PÚBLICO)

4.) Poluição atmosférica – e geoengenharia acidental – de satélites em desórbita . Em uma base contínua, o material do espaço, em grande parte na forma de meteoróides, cai no planeta Terra na ordem de ~ 54 toneladas por dia. A maior parte desse material é feito de materiais como oxigênio e silício: típicos de rochas e da crosta terrestre. Uma pequena porcentagem desse material é metálica, incluindo um pouco (menos de 1%) de alumínio. Naturalmente, um pouco menos de meia tonelada de alumínio, por dia, chega à nossa atmosfera. Esse alumínio adicionado pode ter vários impactos nas propriedades globais da Terra, incluindo:

• semeando nuvens e alterando a refletividade da Terra e as propriedades de retenção de calor,
• descida pela estratosfera, onde pode reagir e destruir moléculas de ozônio,
• afetando a circulação atmosférica de várias maneiras em diferentes altitudes,
• e uma variedade de outros efeitos cumulativos tão significativos, a adição artificial de alumínio à atmosfera tem sido considerada uma opção pelos defensores da geoengenharia.

Se usássemos os satélites Starlink como modelo - supondo que os outros fossem todos do mesmo tamanho, mesma composição e também fossem desorbitados e substituídos em escalas de tempo de 5 anos -, cerca de 100.000 satélites levariam à adição de aproximadamente 14 toneladas de alumínio para nossa atmosfera diariamente, cerca de 30 vezes a quantidade que ocorre naturalmente.

Sem qualquer tipo de regulamentação para limitar essas adições atmosféricas, simplesmente lançar, substituir e desorbitar esses satélites alterará ainda mais o clima da Terra, criando nosso próprio experimento involuntário de geoengenharia.

A reentrada atmosférica de um satélite, como o satélite ATV-1 mostrado aqui, fará com que a maioria ou mesmo a totalidade da composição do satélite seja depositada em várias camadas da atmosfera terrestre. Quanto mais satélites são lançados e quanto mais frequentemente eles são desorbitados, maiores serão os efeitos da poluição atmosférica. (NASA)

É claro que também existem outros problemas. As recomendações que melhor atendem à maioria dos telescópios profissionais, localizados em latitudes equatoriais, criarão poluição luminosa mais pesada do que o necessário em latitudes de 45° e acima. Os impactos ambientais de lançamentos contínuos não apenas despejam poluentes na atmosfera, mas semeiam nuvens mesosféricas, com implicações tanto para o clima quanto para o clima. E quanto mais lotado o ambiente da órbita baixa da Terra se tornar, mais arriscado se tornará cada lançamento e implantação de espaçonaves, pois deve passar ileso por esse campo minado cada vez maior. (E isso é de alto risco; detritos de colisões não fica confinado à órbita onde ocorreu no espaço.)

Tudo isso acontece por causa da mesma questão subjacente: não estamos tratando a órbita baixa da Terra, o espaço diretamente acima, mas ainda conectado à atmosfera da Terra, oceanos e terra, como um ambiente que deve ser tratado de forma sustentável. Esse ambiente não é apenas amplamente desregulado, mas não é reconhecido adequadamente além de alguns esforços primitivos e antiquados, como o de 1967. Tratado do Espaço Exterior . De uma infinidade de perspectivas, incluindo tráfego espacial, astronomia, gerenciamento de recursos e os consequentes efeitos poluentes sentidos aqui na Terra, não estamos tratando o espaço com qualquer tipo de consideração pelo que as gerações futuras herdarão.

A colisão de dois satélites pode criar centenas de milhares de pedaços de detritos, a maioria dos quais são muito pequenos, mas muito rápidos: até ~10 km/s. Se houver satélites suficientes em órbita, esses detritos podem desencadear uma reação em cadeia, tornando o ambiente ao redor da Terra praticamente intransitável. (ESA / ESCRITÓRIO DE DETRITOS ESPACIAIS)

Com um grande número de megaconstelações independentes surgindo no horizonte tecnológico – incluindo Starlink, OneWeb, Amazon/Kuiper da SpaceX, bem como redes esperadas da China, Rússia, subcontinente indiano e outros – a maioria dos profissionais está antecipando a adição de ~ 100.000+ novos satélites em nossos céus nos próximos anos, aumentando o número atual em mais de 1000%. Embora possamos incentivar os provedores a limitar o número e as propriedades impactantes de seus satélites, há um argumento convincente a ser feito para uma solução baseada em infraestrutura.

O Rede do Sistema de Posicionamento Global (GPS) oferece uma pista de como isso pode ser implementado. Com apenas 24 satélites a uma altitude de ~20.200 km (~12.500 milhas) e uma latência de aproximadamente ~0,13 segundos, a rede GPS oferece cobertura de 4 satélites para praticamente todos os pontos da Terra simultaneamente. O GPS não é usado apenas para fornecer posições, mas para uma variedade de aplicações, incluindo sincronização de relógios em todo o mundo, infraestrutura de navegação subjacente e mapeamento do campo gravitacional em mudança da Terra. Embora outras nações também tenham apresentado redes de satélite de posicionamento comparáveis , o GPS por si só permanece eminentemente capaz de atender a todas as demandas do mundo inteiro.

Os satélites GPS voam em órbita terrestre média (MEO) a uma altitude de aproximadamente 20.200 km (12.550 milhas). Cada satélite circula a Terra duas vezes por dia. Essa configuração garante que pelo menos 4 satélites estejam sempre dentro do alcance de qualquer ponto da Terra, continuamente. (ESCRITÓRIO NACIONAL DE COORDENAÇÃO PARA POSICIONAMENTO BASEADO NO ESPAÇO, NAVEGAÇÃO E CRONOGRAMA)

A solução ideal para preservar o nosso céu . Se o objetivo dessas megaconstelações fosse fornecer cobertura 5G adequada para todos os locais da Terra, a maneira mais econômica de fazer isso seria criar e lançar uma única rede que abrangesse o globo. Ao usar o menor número de satélites minimamente poluentes em termos de brilho, altitude em função da latitude, composição, vida útil e características orbitais, poderíamos fornecer cobertura 5G adequada de alta largura de banda e baixa latência para o mundo enquanto realmente ter o menor impacto possível sobre o meio ambiente. Assim como outras indústrias pegam carona em seus modelos de negócios de satélites GPS, uma rede 5G única, poderosa e abrangente poderia, com um número mínimo de satélites minimamente ofensivos, servir o mundo inteiro.

Claro, isso é contrário aos objetivos dos vários provedores de satélite, para não mencionar vários governos, em todo o mundo. É uma proposta fundamentalmente anticapitalista preservar um recurso natural – cuja exploração não podemos arcar como sociedade – impedindo que interesses comerciais o acessem. Muitos governos podem exigir sua própria rede como uma questão de segurança nacional. Se esta rede servir como plataforma para negociação internacional de ações, latências extremamente baixas serão de suma importância, exigindo grande número de satélites com órbitas muito baixas.

Há muitas, muitas razões para preferir criar uma única megaconstelação para servir o mundo inteiro, pois eliminaria redundâncias desnecessárias e minimizaria absolutamente os vários efeitos poluentes que estão apenas começando hoje. Mas neste ponto, em grande parte impulsionado pela oposição da indústria, o grupo de trabalho de políticas no SATCON2 não conseguiu chegar a um consenso.

Este diagrama conceitual de triangulação de satélites ilustra como as redes de satélites podem enviar dados para qualquer ponto da Terra, desde que a cobertura contínua seja mantida e órbitas suficientes em várias inclinações sejam usadas. Para satélites GPS, apenas 24 são necessários para cobrir toda a Terra com 4 satélites separados a qualquer momento. Para fornecer cobertura 5G global com baixas latências e grandes larguras de banda, será necessário um número maior de satélites. (ARQUIVO DE HISTÓRIA UNIVERSAL/GRUPO DE IMAGENS UNIVERSAIS VIA GETTY IMAGES)

É fácil para a maioria de nós imaginar um cenário de pesadelo: onde uma catástrofe única e espetacular altera significativamente a perspectiva da humanidade sobre um problema. A perda de dados suficientes pode resultar em sermos atingidos por um objeto potencialmente perigoso que poderia ter sido detectado, caracterizado ou evitado, por exemplo. Uma explosão solar pode derrubar qualquer sistema automatizado de prevenção de colisões, levando a um reação em cadeia colisional descontrolada . Ou é possível que essas megaconstelações coloquem em risco nossos satélites vitais de monitoramento da Terra, prejudicando nossa capacidade de coletar informações críticas sobre mudanças climáticas, secas, fome, eventos climáticos severos, inundações etc. ser ignorado.

Mas o que é muito mais provável é que – assim como com as mudanças climáticas – não haverá um único Aha! momento. Em vez disso, provavelmente veremos um aumento lento nos efeitos negativos que não serão sentidos imediatamente, mas chegarão a um ponto, décadas ou gerações adiante, em que os efeitos cumulativos não poderão mais ser mitigados por meio de medidas preventivas. Existe um amplo reconhecimento de que há uma grande falta de regulamentação sobre o espaço como ambiente, e que ele deve ser tratado em relação ao desenvolvimento futuro. A menos que preenchamos rapidamente essas lacunas políticas, e o mundo esteja olhando para os Estados Unidos para a liderança aqui, esses efeitos cumulativos negativos serão nosso infeliz legado de nossa rápida e imprudente poluição da fronteira final: órbita baixa da Terra, nossa primeira passo cósmico além dos limites do nosso planeta.

O autor agradece a Meredith Rawls, Moriba Jah, Andy Lawrence, Richard Green, Jonathan McDowell, Aaron Boley e os copresidentes e grupos de trabalho do SATCON2 pelas conversas extremamente úteis em torno dessas questões.

Começa com um estrondo é escrito por Ethan Siegel , Ph.D., autor de Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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