SATÈL·LITS ARTIFICIALS: PER A QUÈ SERVEIXEN, FUNCIONAMENT TIPUS, IMPORTANTS - ART - 2025

Els satèl·lits artificials són vehicles o dispositius construïts expressament per a ser llançats a l'espai sense necessitat de tripulació, amb la finalitat d'orbitar al voltant de la Terra o de qualsevol altre cos celeste.

Les primeres idees sobre construir satèl·lits artificials van sorgir d'autors de ciència ficció, per exemple Jules Verne i Arthur C. Clark. Aquest últim era oficial de radar de la Royal Air Force i, a l'acabar la Segona Guerra Mundial, va concebre la idea d'utilitzar tres satèl·lits en òrbita al voltant de la Terra per mantenir una xarxa de telecomunicacions.

Figura 1. Satèl·lit artificial en òrbita sobre la Terra. Font: Wikimedia Commons.

Per aquest temps no es disposava encara de mitjans per posar un satèl·lit en òrbita. Es van necessitar uns pocs anys més perquè l'exèrcit dels Estats Units produís les primeres comunicacions satelitales al començament de la dècada dels 50.

La cursa espacial entre els Estats Units i la Unió Soviètica va impulsar la indústria dels satèl·lits artificials. El primer col·locat en òrbita amb èxit va ser el satèl·lit soviètic Sputnik el 1957 i emetia senyals en el rang de 20-40 MHz.

A aquest li va seguir el llançament de l'Echo I per part dels Estats Units, amb fins comunicatius. Des de llavors, nombroses posades en òrbita es van anar succeint per part d'ambdues potències i, posteriorment, molts països es van sumar a la nova tecnologia.

Per a què serveixen els satèl·lits artificials?

-En telecomunicacions, per a la retransmissió de missatges de ràdio, televisió i telefonia cel·lular.

-En investigació científica i meteorològica, incloent cartografia i observacions astronòmiques.

-Per objectius d'intel·ligència militar.

-Per usos de navegació i ubicació, sent el GPS (Global Positioning System) dels més coneguts.

-Per monitoritzar la superfície terrestre.

-En estacions espacials, dissenyades per experimentar la vida fora de la Terra.

Com funcionen?

En la seva obra Principia, Isaac Newton (1643-1727) va establir el necessari per posar un satèl·lit en òrbita, tot i que en comptes d'un satèl·lit, va usar com a exemple una bala de canó disparada des del cim d'un turó.

Disparada amb certa velocitat horitzontal, la bala segueix la trajectòria parabòlica de costum. Augmentant la velocitat, l'abast horitzontal es fa cada vegada més gran, cosa que estava clar. ¿Però una determinada velocitat farà que la bala entri en òrbita al voltant de la Terra?

La Terra es corba des d'una línia tangent a la superfície a raó de 4.9 m per cada 8 km. Qualsevol objecte alliberat des del repòs, caurà 4,9 m durant el primer segon. Per tant, a l'disparar la bala horitzontalment des d'un cim amb velocitat de 8 km / s, caurà 4.9 m durant el primer segon.

Però la Terra també hi haurà descendit 4.9 m en aquest temps, ja que es corba sota de la bala de canó. Aquesta se segueix movent horitzontalment, cobrint els 8 km i seguiria estant a la mateixa altura respecte a la Terra durant aquest segon.

Naturalment passa el mateix a el cap de el següent segon i en tots els segons successius, convertint la bala en un satèl·lit artificial, sense cap propulsió addicional, mentre no hi hagi fregament.

No obstant això, la fricció causada per la resistència de l'aire és inevitable, pel que és necessari un coet propulsor.

El coet eleva a el satèl·lit a una gran alçada, on l'atmosfera més prima ofereix menys resistència i li proporciona la velocitat horitzontal necessària.

Tal velocitat ha de ser major de 8 km / si menor a 11 km / s. Aquesta última és la velocitat d'escapament. Projectat a aquesta velocitat, el satèl·lit abandonaria la influència gravitacional de la Terra, internant-se en l'espai.

Estructura de l'satèl·lit artificial

Els satèl·lits artificials contenen diversos mecanismes complexos per realitzar les seves funcions, que involucren la recepció, el processament i l'enviament de diversos tipus de senyals. A més han de ser lleugers i tenir autonomia de funcionament.

Les estructures principals són comuns a tots els satèl·lits artificials, les quals al seu torn disposen de diversos subsistemes d'acord a la finalitat. Van muntades en una carcassa feta de metall o altres compostos lleugers, la qual serveix de suport i es diu bus.

Al bus es pot trobar:

- El mòdul central de control, que conté l'ordinador, amb la qual es processen les dades.

- Antenes receptores i emissores per a la comunicació i la transmissió de les dades mitjançant ones de ràdio, a més de telescopis, càmeres i radars.

- Un sistema de panells solars a les ales, per obtenir l'energia necessària i bateries recarregables quan el satèl·lit està a l'ombra. Segons l'òrbita, els satèl·lits necessiten uns 60 minuts de llum solar per recarregar les bateries, si estan en òrbita baixa. Els satèl·lits més distants passen molt més temps exposats a la radiació solar.

Com que els satèl·lits passen molt de temps exposats a aquesta radiació, es requereix d'un sistema de protecció per evitar danys en els altres sistemes.

Les parts exposades s'escalfen molt, mentre que a l'ombra arriben a temperatures summament baixes, perquè no hi ha atmosfera suficient que reguli els canvis. Per això, es requereix de radiadors per eliminar la calor i cobertes d'alumini que conservin la calor quan sigui necessari.

Tipus de satèl·lits artificials

Segons la seva trajectòria, els satèl·lits artificials poden ser el·líptics o circulars. Això sí, cada satèl·lit té una òrbita assignada, que en general és en el mateix sentit que gira la Terra, anomenada òrbita asíncrona. Si per algun motiu el satèl·lit la recorre a l'contrari, llavors té òrbita retrògrada.

Sota la gravetat, els objectes es mouen en trajectòries el·líptiques segons les lleis de Kepler. Els satèl·lits artificials no escapen a això, però, algunes òrbites el·líptiques tenen una excentricitat tan petita que poden considerar-circulars.

Les òrbites també poden estar inclinades respecte a l'equador terrestre. A una inclinació és de 0º es tracta d'òrbites equatorials, si són de 90º són òrbites polars.

L'altitud de l'satèl·lit també és un paràmetre important, ja que entre 1500 - 3000 km d'altura hi ha el primer cinturó de Van Allen, una regió a ser evitada per la seva elevada taxa de radiació.

Figura 2. Òrbites, altituds i velocitats dels satèl·lits artificials. A l'òrbita cementiri passen els satèl·lits en desús, encara que hi ha romanents en totes les òrbites. Font: Wikimedia Commons.

òrbites satelitales

L'òrbita de l'satèl·lit s'escull d'acord amb la missió que tingui, ja que hi ha ara més o menys favorables per a diferents operacions. D'acord a aquest criteri, els satèl·lits es classifiquen en:

- LEO (Low Earth Orbit), es troben entre 500 i 900 km d'altura i descriuen trajectòria circular, amb períodes d'aproximadament 1 hora i mitja i inclinació de 90 º. S'usen per a telefonia mòbil, fax, localitzadors personals, per a vehicles i per a vaixells.

- MEO (Medium Earth Orbit), estan a una alçada compresa entre 5.000-12.000 km, inclinació de 50º i un període de 6 hores aproximadament. També són emprats en telefonia cel·lular.

- GEO (Geosynchronous Earth Orbit), o d'òrbita geoestacionària, tot i que hi ha una petita diferència entre els dos termes. Els primers poden ser d'inclinació variable, mentre que els segons sempre estan a 0º.

En tot cas es troben a gran alçada -36.000 km més o menys-. Recorren òrbites circulars en períodes d'1 dia. Gràcies a ells es disposa de fax, telefonia de llarga distància i televisió satelital, entre altres serveis.

Figura 3. Esquema de les òrbites dels satèl·lits artificials. 1) Terra. 2) LEO. 3) MEO, 4) Òrbites geosíncronas. Font: Wikimedia Commons.

satèl·lits geoestacionaris

A l'començament dels satèl·lits de comunicacions tenien períodes diferents a el de la rotació de la Terra, però això feia difícil el posicionament de les antenes i la comunicació es perdia. La solució va ser col·locar a el satèl·lit a una alçada tal que el seu període coincidís amb el de la rotació terrestre.

D'aquesta manera el satèl·lit orbita juntament amb la Terra i sembla estar fix respecte a ella. L'alçada necessària per a col·locar un satèl·lit en òrbita geosíncrona és 35786.04 km i se la coneix amb el nom de cinturó de Clarke.

Es pot calcular l'altura de l'òrbita establint el període, mitjançant la següent expressió, derivada de la llei de Gravitació Universal de Newton i les lleis de Kepler:

On P és el període, a és la longitud de l'semieix major de l'òrbita el·líptica, G és la constant de gravitació universal i M és la massa de la Terra.

Ja que d'aquesta manera l'orientació de l'satèl·lit respecte a la Terra no canvia, garanteix que sempre es tindrà contacte amb ell.

Satèl·lits artificials més importants de la Terra

Sputnik

Figura 4. Rèplica de l'Sputnik, el primer satèl·lit artificial en òrbita de la història. Font: Wikimedia Commons.

Va ser el primer satèl·lit artificial a la història de la humanitat, posat en òrbita per l'antiga Unió Soviètica a l'octubre de 1957. A aquest satèl·lit li van seguir altres 3, com a part de el programa Sputnik.

El primer Sputnik era bastant petit i lleuger: 83 kg d'alumini principalment. Era capaç d'emetre freqüències d'entre 20 i 40 MHz. Va estar en òrbita durant tres setmanes, després de les quals va caure a la Terra.

Rèpliques de l'Sputnik es poden veure avui dia en molts museus de la Federació Russa, Europa i fins i tot Amèrica.

El Transbordador espacial

Una altra missió tripulada molt coneguda va ser el Space Transport System STS o Transbordador espacial, que va estar en operació des de 1981 fins al 2011 i va participar, entre altres missions importants, en la posada en òrbita de l'Telescopi Espacial Hubble i l'Estació Espacial Internacional, a més de missions de reparació d'altres satèl·lits.

El Transbordador espacial tenia òrbita asíncrona i era reutilitzable, ja que podia anar i venir a la Terra. Dels cinc transbordadors, dos van ser destruïts accidentalment al costat de la seva tripulació: el Challenger i el Columbia.

satèl·lits GPS

El Sistema de Posicionament Global (Global Positioning System) és àmpliament conegut per ubicar amb elevada precisió a persones i objectes en qualsevol part de l'globus. La xarxa GPS consta d'almenys 24 satèl·lits a gran altura, dels quals sempre hi ha 4 satèl·lits visibles des de la Terra.

Es troben en òrbita a 20.000 km d'altura i el seu període és de 12 hores. El GPS utilitza un mètode matemàtic semblant a la triangulació per avaluar la posició dels objectes, anomenat trilateración.

El GPS no es limita a situar persones o vehicles, també és útil per a cartografia, topografia, geodèsia, operacions de salvament i pràctiques esportives, entre altres aplicacions importants.

El Telescopi Espacial Hubble

És un satèl·lit artificial que ofereix incomparables imatges mai vistes de el sistema solar, les estrelles, les galàxies i l'univers distant, sense que l'atmosfera terrestre o la contaminació lumínica bloquegin o distorsioni la llum llunyana.

Figura 5. Vista del Telescopi Espacial Hubble. Font: NASA a través de Wikimedia Commons.

D'allí que el seu llançament el 1990 hagi estat l'avanç més notable de l'astronomia en els últims temps. L'enorme cilindre de 11 tones de l'Hubble, es troba a una altitud de 340 milles (548 km) orbitant circularment a la Terra, amb un període de 96 minuts.

Es preveu que serà desactivat entre el 2020 i el 2025, sent substituït pel telescopi espacial James Webb.

Estació Espacial Internacional

Coneguda com ISS (International Space Station) és un laboratori d'investigació en òrbita, gestionat per cinc agències espacials de tot el món. Fins ara és el satèl·lit artificial més gran que existeix.

A diferència de la resta dels satèl·lits, a l'Estació Espacial si hi ha éssers humans a bord. A més de la tripulació fixa de pels menys dos astronautes, l'estació fins i tot ha rebut la visita de turistes.

L'objectiu de l'estació és principalment científic. Compta amb 4 laboratoris en els quals s'investiguen els efectes de la gravetat zero i es duen a terme observacions astronòmiques, cosmològiques, sobre el clima, així com diversos experiments en biologia, química i la influència de la radiació en diversos sistemes.

Chandra

Aquest satèl·lit artificial és un observatori per detectar raigs X, els quals són absorbits per l'atmosfera de la Terra i que per tant no poden estudiar des de la superfície. La NASA el va posar en òrbita el 1999 mitjançant el transbordador espacial Columbia.

Satèl·lits de comunicació Iridium

Conformen una xarxa de 66 satèl·lits a 780 km d'altura en òrbites de tipus LEO, amb un període de 100 minuts. Van ser dissenyats per la companyia telefònica Motorola per proveir comunicació telefònica en llocs poc accessibles. No obstant això es tracta d'un servei de molt elevat cost.

Sistema de satèl·lits Galileu

És el sistema de posicionament desenvolupat per la Unió Europea, equivalent a el GPS i per a ús civil. Actualment té 22 satèl·lits operant, però encara segueix en construcció. És capaç de situar a una persona o un objecte amb precisió d'1 metre en la versió oberta i és interoperable amb els satèl·lits de el sistema GPS.

sèrie Landsat

Són satèl·lits especialment dissenyats per a l'observació de la superfície terrestre. Van començar la feina de casa en 1972. Entre altres coses, s'ocupen de mapejar el terreny, registrar informació sobre el moviment dels gels en els pols i l'extensió dels boscos, així com de prospecció minera.

sistema Glonass

És el sistema de geolocalització de la Federació Russa, equivalent a l'GPS ia la xarxa Galileu.

Observació dels satèl·lits artificials

Els satèl·lits artificials poden ser vistos des de la Terra pels aficionats, ja que reflecteixen la llum de el Sol i poden ser albirats com a punts de llum, fins i tot si el Sol s'ha posat.

Per situar-los, convé instal·lar al telèfon alguna de les aplicacions de recerca de satèl·lits o consultar amb pàgines d'internet que rastregen satèl·lits.

Per exemple, el telescopi espacial Hubble pot ser visible a simple vista o millor encara, amb bons prismàtics, si se sap on buscar.

Els preparatius per observar satèl·lits són els mateixos que per a quan s'observen les pluges de meteors. Els millors resultats s'obtenen en nits ben fosques i nítides, sense núvols i sense lluna, o amb la lluna baixa a l'horitzó. Com més lluny de la contaminació lumínica millor, a més cal portar roba abrigada i begudes calentes.

referències

1. European Space Agency. Els satèl·lits. Recuperat de: esa.int.
2. Giancoli, D. 2006. Physics: Principles with Applications. 6th. Ed Prentice Hall.
3. Maran, S. Astronomia per Dummies.
4. NASA. About the Hubble Space Telescope. Recuperat de: nasa.gov.
5. Què són els satèl·lits artificials i com funcionen ?. Recuperat de: youbioit.com
6. Viquillibres. Satèl·lits Artificials. Recuperat de: es.wikiversity.org.