Alrededor de 15.000 satélites orbitan la Tierra. La mayoría de ellos, como la Estación Espacial Internacional y el Telescopio Espacial Hubble, se encuentran en una órbita terrestre baja, o LEO, que se encuentra a unos 2.000 kilómetros sobre la superficie de la Tierra.
Pero a medida que se lanzan más satélites a LEO (la constelación de Internet Starlink de SpaceX por sí sola eventualmente enviará muchos miles más allí), la región se está saturando un poco.
Así que es una suerte que exista otra órbita, incluso más cercana a la Tierra, que promete ayudar a aliviar la congestión. Se llama VLEO, u órbita terrestre muy baja, y se encuentra a sólo 60 a 250 millas (100 a 400 kilómetros) sobre la superficie de la Tierra.
Como ingeniero y profesor que desarrolla tecnologías para extender la presencia humana más allá de la Tierra, puedo decirles que los satélites en órbita terrestre muy baja, o VLEO, ofrecen ventajas sobre los satélites de mayor altitud. Entre otros beneficios, los satélites VLEO pueden proporcionar imágenes de mayor resolución, comunicaciones más rápidas y mejores ciencias atmosféricas. Divulgación completa: también soy cofundador y copropietario de Victoria Defense, que busca comercializar VLEO y otras tecnologías centradas en la energía.
Ventajas de VLEO
Las imágenes de los satélites de órbita terrestre muy baja son más nítidas porque simplemente ven la Tierra con mayor claridad que los satélites que están más arriba, del mismo modo que acercar la imagen ayuda a verla mejor. Esto se traduce en imágenes de mayor resolución para fines de agricultura, ciencia climática, respuesta a desastres y vigilancia militar.
La comunicación de un extremo a otro es más rápida, lo que es ideal para comunicaciones en tiempo real, como servicios telefónicos e Internet. Aunque las señales siguen viajando a la misma velocidad, no tienen que recorrer tanta distancia, por lo que la latencia se reduce y las conversaciones fluyen con mayor fluidez.
Gran parte de los pronósticos meteorológicos se basan en imágenes de nubes sobre la Tierra, por lo que acercar esas imágenes significa mayor resolución y más datos para el pronóstico.
Debido a estas ventajas, las agencias gubernamentales y la industria están trabajando para desarrollar satélites en órbitas terrestres muy bajas.
Estancamiento: resistencia atmosférica
Quizás se pregunte por qué hasta ahora se ha evitado esta región del espacio para operaciones satelitales sostenidas. Esto se debe a una razón principal: la resistencia atmosférica.
A menudo se piensa que el espacio es un vacío. Entonces, ¿dónde comienza exactamente el universo? Aunque se considera ampliamente que el punto de partida son unos 100 kilómetros (62 millas), conocida como la línea von Kármán, no existe una transición dura donde el espacio comienza repentinamente. En cambio, a medida que nos alejamos de la Tierra, la atmósfera se adelgaza.
El lugar donde comienza el espacio es relativamente arbitrario, pero la mayoría considera que tiene una altura de unos 100 kilómetros (62 millas).
Dentro y por debajo de una órbita terrestre muy baja, la atmósfera de la Tierra todavía es lo suficientemente densa como para ralentizar los satélites, lo que hace que los que se encuentran en las altitudes más bajas salgan de órbita en semanas o incluso días, esencialmente quemándose cuando regresan a la Tierra. Para contrarrestar esta resistencia atmosférica y permanecer en órbita, el satélite debe avanzar constantemente, del mismo modo que andar en bicicleta contra el viento requiere pedalear constantemente.
Para la propulsión en el espacio, los satélites utilizan diferentes tipos de propulsores, que proporcionan la presión necesaria para evitar la desaceleración. Pero en VLEO, los propulsores deben estar encendidos todo o la mayor parte del tiempo. Como tal, los propulsores convencionales se quedarían rápidamente sin combustible.
Afortunadamente, la atmósfera de la Tierra en VLEO todavía es lo suficientemente densa como para que la atmósfera misma pueda usarse como combustible.
Tecnologías de propulsión innovadoras
Aquí es donde entra en juego mi investigación. En Penn State, en colaboración con Georgia Tech y financiado por el Departamento de Defensa de EE. UU., nuestro equipo está desarrollando un nuevo sistema de propulsión diseñado para operar a distancias de 43 a 55 millas (70 a 90 kilómetros). Técnicamente, estas altitudes están incluso por debajo de una órbita terrestre muy baja, lo que hace que el desafío de superar la resistencia sea aún más difícil.
Nuestro enfoque recolecta la atmósfera con una pala, como abrir bien la boca mientras pedaleas una bicicleta, y luego utiliza microondas de alta potencia para calentar la atmósfera recolectada. Luego, el gas calentado se expulsa a través de una boquilla que impulsa el satélite hacia adelante. Nuestro equipo llama a este concepto propulsor de plasma de microondas que respira aire. Pudimos demostrar el prototipo del propulsor en el laboratorio dentro de una cámara de vacío que simula la presión atmosférica encontrada a una altitud de 80 km.
Un propulsor que respira aire estalla en una cámara de vacío en Penn State. Ethan Kravet
Este enfoque es relativamente simple pero tiene potencial, especialmente en altitudes más bajas donde la atmósfera es más densa. Más arriba, donde la atmósfera es más delgada, las naves espaciales podrían utilizar diferentes tipos de propulsores VLEO que otros están desarrollando para cubrir grandes rangos de altitud.
Nuestro equipo no es el único que trabaja en tecnología de propulsores. Sólo un ejemplo: el Departamento de Defensa de Estados Unidos se asoció con el contratista de defensa Red Wire para desarrollar Otter, un satélite VLEO con su propia versión de tecnología de propulsor que respira la atmósfera.
Otra opción para mantener un satélite en VLEO, que utiliza tecnología en la que he trabajado a lo largo de mi carrera, es conectar un satélite de órbita inferior a un satélite de órbita superior mediante un enlace largo. Aunque la NASA nunca ha hecho volar un sistema de este tipo, una misión propuesta después de las misiones del Satellite Tethering System realizadas en la década de 1990 fue dejar caer un satélite a una órbita mucho más baja desde el transbordador espacial, sujeto a una correa muy larga. Actualmente estamos revisando ese sistema para ver si podría funcionar para VLEO en una forma modificada.
Otras complicaciones
Superar las resistencias, aunque es la más difícil, no es el único desafío. Los satélites en órbita terrestre muy baja están expuestos a niveles muy altos de oxígeno atómico, que es una forma de oxígeno altamente reactiva que corroe rápidamente la mayoría de las sustancias, incluso los plásticos.
Los materiales del satélite también deben soportar temperaturas extremadamente altas, superiores a 2.732 grados Fahrenheit (1.500 grados Celsius), porque la fricción lo calienta a medida que avanza a través de la atmósfera, lo que ocurre cuando todas las naves espaciales reingresan a la atmósfera desde su órbita.
El potencial de estos satélites está impulsando la investigación y la inversión, y las misiones propuestas se han hecho realidad. La investigación de Juniper estima que se invertirán 220 mil millones de dólares sólo en los próximos tres años. Pronto, su Internet, su clima y su seguridad podrían ser aún mejores gracias a los satélites VLEO.
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