Estudo: alterações climáticas vão reduzir o número de satélites que podem orbitar em segurança no espaço

O aumento das emissões de gases com efeito de estufa reduzirá a capacidade da atmosfera para queimar lixo espacial antigo, segundo um relatório de cientistas do MIT.

Os engenheiros aeroespaciais do MIT descobriram que as emissões de gases com efeito de estufa estão a alterar o ambiente do espaço próximo da Terra de uma forma que, com o tempo, reduzirá o número de satélites que aí podem operar de forma sustentável.

Num estudo que será publicado na revista Nature Sustainability, os investigadores referem que o dióxido de carbono e outros gases com efeito de estufa podem provocar a contração da atmosfera superior. Uma camada atmosférica de especial interesse é a termosfera, onde atualmente orbitam a Estação Espacial Internacional e a maioria dos satélites. Quando a termosfera se contrai, a densidade decrescente reduz o arrastamento atmosférico – uma força que puxa os satélites antigos e outros detritos para altitudes onde encontram moléculas de ar e se queimam.

Uma menor resistência significa, por conseguinte, um tempo de vida mais longo para o lixo espacial, que irá sujar regiões procuradas durante décadas e aumentar o potencial de colisões em órbita.

A equipa realizou simulações da forma como as emissões de carbono afetam a atmosfera superior e a dinâmica orbital, a fim de estimar a “capacidade de carga dos satélites” da órbita terrestre baixa. Estas simulações preveem que, até ao ano 2100, a capacidade de carga das regiões mais populares poderá ser reduzida em 50-66% devido aos efeitos dos gases com efeito de estufa.

“O nosso comportamento em relação aos gases com efeito de estufa na Terra nos últimos 100 anos está a ter um efeito na forma como vamos operar os satélites nos próximos 100 anos”, afirma o autor do estudo, Richard Linares, professor associado do Departamento de Aeronáutica e Astronáutica do MIT (AeroAstro).

“A atmosfera superior está num estado frágil à medida que as alterações climáticas perturbam o status quo”, acrescenta o autor principal, William Parker, um estudante de pós-graduação em AeroAstro. “Ao mesmo tempo, tem-se registado um aumento maciço do número de satélites lançados, especialmente para fornecer Internet de banda larga a partir do espaço. Se não gerirmos cuidadosamente esta atividade e não trabalharmos para reduzir as nossas emissões, o espaço poderá ficar demasiado povoado, dando origem a mais colisões e detritos”.

O estudo inclui o coautor Matthew Brown da Universidade de Birmingham.

Sky fall

A termosfera contrai-se e expande-se naturalmente a cada 11 anos em resposta ao ciclo regular de atividade do Sol. Quando a atividade do Sol é baixa, a Terra recebe menos radiação e a sua atmosfera mais externa arrefece e contrai-se temporariamente antes de se expandir novamente durante o máximo solar.

Na década de 1990, os cientistas interrogaram-se sobre a reação da termosfera aos gases com efeito de estufa. A sua modelação preliminar mostrou que, enquanto os gases retêm o calor na baixa atmosfera, onde se verifica o aquecimento global e o clima, os mesmos gases irradiam calor a altitudes muito mais elevadas, arrefecendo efetivamente a termosfera. Com este arrefecimento, os investigadores previram que a termosfera deveria encolher, reduzindo a densidade atmosférica a grandes altitudes.

Na última década, os cientistas conseguiram medir as alterações no arrastamento dos satélites, o que forneceu algumas provas de que a termosfera está a contrair-se em resposta a algo mais do que o ciclo natural de 11 anos do Sol.

“O céu está literalmente a cair – mas a um ritmo que está à escala de décadas”, diz Parker. “E podemos ver isso pela forma como a resistência dos nossos satélites está a mudar”.

A equipa do MIT interrogou-se sobre a forma como essa resposta afectará o número de satélites que podem operar em segurança na órbita da Terra. Atualmente, existem mais de 10.000 satélites à deriva na órbita baixa da Terra, que descreve a região do espaço até 1.200 milhas, ou 2.000 quilómetros, da superfície da Terra. Estes satélites fornecem serviços essenciais, incluindo Internet, comunicações, navegação, previsão meteorológica e serviços bancários. A população de satélites aumentou muito nos últimos anos, exigindo que os operadores efectuem regularmente manobras para evitar colisões para se manterem seguros. Quaisquer colisões que ocorram podem gerar detritos que permanecem em órbita durante décadas ou séculos, aumentando a probabilidade de colisões posteriores com satélites, tanto antigos como novos.

“Nos últimos cinco anos foram lançados mais satélites do que nos 60 anos anteriores juntos”, diz Parker. “Uma das coisas mais importantes que estamos a tentar compreender é se o caminho que estamos a seguir atualmente é sustentável.”

Conchas lotadas

No seu novo estudo, os investigadores simularam diferentes cenários de emissões de gases com efeito de estufa ao longo do próximo século para investigar os impactos na densidade e arrastamento atmosféricos. Para cada “concha”, ou intervalo de altitude de interesse, modelaram a dinâmica orbital e o risco de colisões de satélites com base no número de objetos dentro da concha. Utilizaram esta abordagem para identificar a “capacidade de carga” de cada concha – um termo que é normalmente utilizado em estudos de ecologia para descrever o número de indivíduos que um ecossistema pode suportar.

“Estamos a pegar na ideia da capacidade de carga e a traduzi-la para este problema de sustentabilidade espacial, para compreender quantos satélites a órbita baixa da Terra pode sustentar”, explica Parker.

A equipa comparou vários cenários: um em que as concentrações de gases com efeito de estufa se mantêm ao nível do ano 2000 e outros em que as emissões mudam de acordo com as vias socioeconómicas partilhadas (SSP) do Painel Intergovernamental sobre Alterações Climáticas (IPCC). A equipa concluiu que os cenários com aumentos contínuos das emissões conduziriam a uma capacidade de carga significativamente reduzida em toda a órbita terrestre baixa.

Em particular, a equipa estima que, até ao final deste século, o número de satélites acomodados em segurança nas altitudes de 200 e 1.000 quilómetros poderá ser reduzido em 50 a 66%, em comparação com um cenário em que as emissões se mantenham aos níveis do ano 2000. Se a capacidade dos satélites for excedida, mesmo numa região local, os investigadores preveem que a região sofrerá uma “instabilidade descontrolada”, ou seja, uma cascata de colisões que criaria tantos detritos que os satélites deixariam de poder operar em segurança nessa região.

As suas previsões vão até ao ano 2100, mas a equipa afirma que certos invólucros da atmosfera já estão a ficar cheios de satélites, sobretudo de “megaconstelações” recentes, como a Starlink da SpaceX, que inclui frotas de milhares de pequenos satélites de Internet.

“A megaconstelação é uma nova tendência e estamos a mostrar que, devido às alterações climáticas, vamos ter uma capacidade reduzida em órbita”, diz Linares. “E, nas regiões locais, estamos perto de nos aproximarmos desse valor de capacidade atual.”

“Dependemos da atmosfera para limpar os nossos detritos. E se a atmosfera está a mudar, então o ambiente dos detritos também vai mudar”, acrescenta Parker. “Mostramos que as perspetivas a longo prazo dos detritos orbitais dependem criticamente da redução das nossas emissões de gases com efeito de estufa.”

Esta investigação é apoiada em parte pela National Science Foundation dos EUA, pela Força Aérea dos EUA e pelo Natural Environment Research Council do Reino Unido.