SpaceX comenzó a lanzar sus satélites de segunda generación desarrollados con cambios tecnológicos y operativos que reiteran su acuerdo con la Fundación Nacional de Ciencias de USA, la Sociedad Astronómica Estadounidense y la Unión Astronómica Internacional en 2019, para proteger los cielos oscuros. En ese acuerdo, SpaceX se comprometió a implementar un nuevo diseño para sus satélites con el objetivo de reducir su brillo hasta una magnitud siete, y también mantener los satélites en elevaciones orbitales que disminuyan la cantidad de áreas a las que no se puede apuntar durante una noche de observaciones astronómicas [1].
Crédito: SpaceX
En 2022, SpaceX compartió soluciones y conceptos tecnológicos que estaban implementado en los satélites de segunda generación, con el fin de hacerlos invisibles a simple vista, incluso cuando estuvieran a su altitud operativa estándar [2]. En una declaración publicada en la red social “X,” en septiembre de 2023, Starlink reiteró su compromiso de apoyar la astronomía: “Creemos firmemente en la importancia de proteger el cielo nocturno para que todos lo disfruten, razón por la cual el equipo de Starlink ha estado trabajando con líderes en astronomía de todo el mundo para reducir el brillo de los satélites”.
Si te gusta mirar al cielo durante noches claras, es posible que hayas notado objetos brillantes que se mueven rápidamente por el cielo nocturno. Estos también son vistos por observatorios terrestres y cubren un área considerable de la imágenes que estos toman, generando gran preocupación en la comunidad astronómica debido a los posibles impactos que estos puedan tener en los descubrimientos científicos[1]. Los satélites son más visibles desde la Tierra en las primeras horas de la noche y antes de la puesta del sol. Estos son visibles porque reflejan la luz del Sol, y el tiempo que son visibles depende de su altitud; los satélites a mayor altitud son iluminados por el Sol por más tiempo.
Crédito: SpaceX
El brillo también depende del material utilizado y de cuánta luz es dispersada por varias de las superficies del satélite hacia la Tierra . Esta luz puede dispersarse de dos formas: especular o difusa. La luz especular es reflejada en un solo ángulo, como un espejo; mientras que la luz difusa sale de la superficie en todas direcciones o ángulos. Aunque esta luz difusa tiene una apariencia mate cuando se mira al satélite, esta es visible desde más direcciones.
[imagen specular-difuse-light.jpg Credito: SpaceX] Aunque parezca contradictorio, las superficies de los satélites con orientación de nadir plano (perpendicular al suelo) y que reflejan más como un espejo, tienen menos impacto en la astronomía porque un reflejo perfecto nunca cruzaría la Tierra. También hay que tomar en cuenta que algunos materiales pueden ser "absorbentes", lo que significa que la luz reflejada por una superficie es mucho menos brillante que la luz solar incidente que esta refleja. Estos materiales también pueden ser especulares o difusos, pero ningún material es perfectamente especular, difuso o absorbente Tomando todo esto en cuenta, SpaceX invierto en superficies especulares. en materiales absorbentes para las superficies que no tienen una orientación de nadir plano.
Crédito: SpaceX
Los satélites SpaceX son vistos desde la Tierra debido a que la luz del Sol es dispersada, principalmente, por el cuerpo principal (o “chasis”) del satélite y los paneles solares. Los satélites de la primera generación usaron “viseras solares” para cubrir el chassis. Estos eran transparentes a las ondas de radio y no bloquearan las antenas de los usuarios de Starlink. Desafortunadamente el material bloqueaba los links láser que SpaceX necesita hacer para cubrir las regiones más remotas del mundo. Estos también generaban arrastre, requiriendo más combustible para mantenerlos en órbita. La alternativa se encontró en el desarrollo de una película delgada de un material transparente a las ondas de radio. Esta película delgada de espejo dieléctrico usa una superficie lisa para dispersar la gran mayoría de la luz solar lejos de la Tierra.
Otra importante mitigación de brillo que SpaceX implementó en la primera generación de sus satélites fue un material más oscuro entre las células solares de la parte frontal del panel solar. Este material de soporte entre las células solares era inicialmente blanco, y fue cambiado a un pigmento de color rojo oscuro, lo que reduce el brillo de las matrices. Este oscurecimiento aumenta la temperatura de la matriz solar y, en consecuencia, reduce su rendimiento, sin embargo este es una de las concesiones que SpaceX ha adoptado con el fin de ayudar a la astronomía.
Crédito: SpaceX
Para reducir aún más el brillo de la constelación Starlink, los satélites de segunda generación emplearán tres técnicas avanzadas de mitigación del brillo, que incluyen una película delgada de espejo dieléctrico mejorada, un pigmento opaco para la lámina posterior de los paneles solares y una pintura negra poco reflectante para cubrir muchas de sus componentes. Otro cambio sería en sus operaciones de vuelo. SpaceX perfeccionará la actitud de su satélite y las técnicas de orientación de los paneles solares durante la órbita, la elevación y la salida de órbita.
La película delgada de espejo dieléctrico que SpaceX empezó a utilizar para cubrir el chasis inferior de los satélites de segunda generación, es 10 veces mejor reduciendo el brillo observado que la de la primera generación.
Crédito: SpaceX
La gráfica de abajo muestra la métrica de la Función de Distribución de Reflectancia Bi-direccional (BRDF por sus siglas en inglés) para varias soluciones de reducción de visibilidad, incluyendo la nueva película delgada de espejo dieléctrico de SpaceX, la película delgada que se usaba antes, espuma negra utilizada en las viseras solares y pintura negra. El pico en este gráfico corresponde a la reflexión en un espejo liso en dirección opuesta al ángulo incidente y el valor en 0 grados corresponde a un observador que mira directamente hacia arriba. Como puede ver, mientras que los espejos de primera generación eran más brillantes que la espuma negra utilizada para las viseras, los espejos de segunda generación ofrecen una reducción de un orden de magnitud para observadores que miran directamente hacia arriba (tomen en cuenta que el eje y es un escala logarítmica).
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Crédito: SpaceX
La mejora se puede ver a simple vista en las imágenes en la siguiente figura. Estas muestran una versión vieja de la caja Wifi de Starlink sobre los espejos viejos y nuevos. La mejora de la deserción especular de los nuevos espejos fue maximizada a través de una extensa investigación e iteración. El núcleo de la película delgada es un espejo de Bragg, que incluye muchas capas delgadas de plástico con diferentes índices de refracción que internamente crean patrones de interferencia para reflejar la luz, pero permiten que las ondas de radio pasen sin obstáculos. Para sobrevivir la radiación espacial, este tiene capas protectoras de dióxido de titanio (TiO2) y dióxido de silicio (SiO2). Estas capas son delgadas y lo suficientemente puras. como para no afectar el comportamiento de la película.
El cambio que se hizo en los paneles solares de los satélites de segunda generación consistió en el desarrollo de un pigmento opaco para cubrir la lámina posterior de los paneles solares, que de otro modo podrían ser iluminados por el Sol, similarmente a como se ilumina la pantalla de una lámpara. SpaceX también cambió las operaciones de vuelo para esta generación de satélites al apuntar los paneles solares en dirección opuesta al Sol cuando cruzan la línea día-noche (o el terminador). Esta maniobra de desvío resulta en una reducción del 25% en la potencia disponible para el satélite, por lo que SpaceX tuvo que implementar un diseño de los paneles solares más costoso.
Crédito: SpaceX
Finalmente, SpaceX está utilizando su nueva pintura “Negro de Baja Reflectividad” que, en comparación con la pintura espacial estable más oscura que es disponible, tiene un pico especular (o de reelección) cinco veces menor. Esta pintura se utiliza para cubrir todos los componentes posibles que tengan geometrías complejas, minimizando el brillo y los destellos que se producen cuando la luz del Sol se refleja de estas superficies e interseca la Tierra.
SpaceX planea seguir colaborando con la comunidad astronómica para mitigar el efecto de todas las operaciones satelitales en sus observaciones; sin embargo, todos los operadores de satélites deben trabajar juntos. Teniendo esto en cuenta, SpaceX va más allá en su apoyo a la astronomía al ofrecer su película delgada de espejo dieléctrico a otras constelaciones de satélites al costo de producción.
[1] Referencia a my blog. https://www.onerocketmom.com/post/spacex-to-improve-starlink-gen-2-satellites-to-help-astronomers
[2] SpaceX 2022 Brightness Mitigation Best Practices for Satellite Operators, https://api.starlink.com/public-files/BrightnessMitigationBestPracticesSatelliteOperators.pdf