Cada vez que usas el GPS, ves la previsión del tiempo o haces una videollamada con alguien al otro lado del mundo, estás confiando en satélites artificiales. Pero un satélite no es solo una caja voladora con paneles solares. Es un sistema complejo que debe generar su propia energía, controlar su temperatura, comunicarse con Tierra a miles de kilómetros de distancia y mantenerse en una órbita precisa durante años sin repostar. Te explico cómo se lanzan, qué subsistemas tienen, los diferentes tipos de órbita y cómo hacen para no caerse (spoiler: no es que no haya gravedad, es que van tan rápido que caen alrededor de la Tierra).
Órbita y velocidad orbital: por qué un satélite no se cae
La creencia popular de que en el espacio no hay gravedad es falsa. A 400 km de altura (la altitud de la Estación Espacial Internacional), la gravedad terrestre sigue siendo casi el 90% de la que hay en superficie. Lo que ocurre es que el satélite está en caída libre permanente hacia la Tierra, pero su velocidad tangencial es tan alta que la curvatura de su trayectoria iguala la curvatura del planeta. Es como si lanzaras una piedra tan rápido que, cuando cae, la Tierra “se curva” debajo de ella. Esa es la velocidad orbital.
La velocidad orbital para una órbita circular viene dada por v = √(GM/r), donde G es la constante de gravitación, M la masa de la Tierra y r la distancia desde el centro de la Tierra. Para una órbita baja (LEO, 300 km de altura): v ≈ 7.7 km/s (unos 27.700 km/h). Para la órbita geoestacionaria (GEO, 35.786 km de altura): v ≈ 3.07 km/s. Cuanto más alta es la órbita, menor es la velocidad necesaria.
Para poner un satélite en órbita, un cohete debe acelerarlo hasta esa velocidad. La mayoría de los lanzamientos se hacen hacia el este (aprovechando la rotación de la Tierra, que ya da unos 0.46 km/s en el ecuador). Desde Cabo Cañaveral (28°N) se obtienen unos 0.4 km/s de impulso extra. Por eso los lanzamientos desde cerca del ecuador (como el puerto espacial de Kourou, en Guayana Francesa) son más eficientes.
Órbita e inclinación
La inclinación orbital es el ángulo entre el plano de la órbita y el ecuador terrestre. Una órbita con inclinación 0° es ecuatorial; con 90° es polar (pasa sobre los polos). Los satélites geoestacionarios tienen inclinación 0° y están sobre el ecuador, por eso parecen fijos en el cielo. Los satélites de observación terrestre suelen usar órbitas polares o heliosíncronas (inclinación ~98°), que les permiten pasar sobre cada punto de la Tierra a la misma hora solar siempre.
Tipos de órbita: LEO, MEO, GEO, polar y heliosíncrona
| Órbita | Altura típica | Velocidad orbital | Periodo | Ejemplos |
|---|---|---|---|---|
| Órbita Terrestre Baja (LEO) | ||||
| 160 – 2000 km | 7.8 – 7.0 km/s | 90 – 120 min | ISS (420 km), Hubble (540 km), Starlink (550 km), satélites de observación | |
| Órbita Terrestre Media (MEO) | ||||
| 10.000 – 20.000 km | 4.9 – 3.9 km/s | 6 – 12 horas | GPS (20.180 km, 12 h), Galileo (23.222 km, 14 h), GLONASS | |
| Órbita Geoestacionaria (GEO) | ||||
| 35.786 km | 3.07 km/s | 24 h (sidéreo) | Satélites de comunicaciones (TV, telefonía fija), meteorológicos (Meteosat, GOES) | |
| Órbita Polar LEO | ||||
| 700 – 1000 km | 7.5 – 7.4 km/s | ~100 min | Satélites de observación terrestre (Landsat, Sentinel), satélites de reconocimiento | |
| Órbita Heliosíncrona (SSO, tipo de polar) | ||||
| 500 – 800 km | 7.5 – 7.4 km/s | ~100 min | La inclinación hace que el plano orbital gire ~1° por día, manteniendo la misma hora solar para todas las pasadas. | |
La órbita geoestacionaria es la más apreciada para comunicaciones porque un satélite parece fijo en el cielo: una antena parabólica en Tierra puede apuntarle siempre sin necesidad de movimiento. El inconveniente: la altitud introduce una latencia de unos 250 ms (ida y vuelta, ping), que es notable en comunicaciones bidireccionales pero aceptable para televisión y telefonía. Los satélites LEO como Starlink tienen latencias muy bajas (20-40 ms) pero requieren cientos o miles de satélites y constelaciones que se mueven rápidamente, con conmutación de haz entre satélites.
Subsistemas de un satélite: estructura, energía, comunicaciones, control térmico y propulsión
Un satélite se divide en dos partes: la plataforma (bus) que contiene los sistemas de soporte, y la carga útil (payload) que realiza la misión (cámara, transpondedor, sensor). Los subsistemas esenciales son:
Todos los subsistemas deben ser redundantes (al menos dos unidades de cada componente crítico) para garantizar la fiabilidad durante la vida útil del satélite (típicamente 5-15 años). En caso de fallo de un componente, el ordenador de a bordo conmuta al de reserva.
Energía: paneles solares, baterías y celdas de combustible
En el espacio no hay enchufes. La mayoría de los satélites generan electricidad mediante paneles solares de arseniuro de galio (GaAs) o silicio, con eficiencias del 30-35% en los mejores. Los paneles se pliegan durante el lanzamiento y se despliegan una vez en órbita. Un satélite de telecomunicaciones GEO puede tener dos grandes alas solares, cada una de varios metros de largo, que generan 5-20 kW de potencia. Los satélites pequeños (CubeSats) llevan paneles fijos en las caras, de apenas 5-50 vatios.
Durante el eclipse (cuando el satélite entra en la sombra de la Tierra), los paneles no producen energía. Por eso se necesitan baterías recargables de iones de litio (Li-ion) similares a las de los coches eléctricos, pero endurecidas para el espacio (resistentes a la radiación). Antes se usaban baterías de níquel-hidrógeno (NiH₂), más pesadas. Las baterías se cargan durante la parte iluminada de la órbita y suministran energía en el eclipse (típicamente 30-70 minutos para LEO, hasta 72 minutos para GEO porque solo hay eclipses en los equinoccios).
En satélites muy pequeños se usan celdas de combustible (hidrógeno/oxígeno) solo en misiones de pocos días (como las cápsulas tripuladas), porque el hidrógeno es difícil de almacenar a largo plazo. Los vehículos de exploración profunda (como las sondas a Júpiter) llevan generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTG), que convierten el calor del decaimiento del plutonio-238 en electricidad, porque la luz solar es demasiado débil.
El problema de la radiación espacial
Los electrones y protones de alta energía (cinturones de Van Allen, tormentas solares) degradan los paneles solares con el tiempo: la potencia generada cae aproximadamente un 2-3% por año en GEO, y más en LEO (por el oxígeno atómico y radiación). Por eso los satélites se diseñan con paneles sobredimensionados (BOL, Beginning of Life potencia) de modo que al final de la vida (EOL, 15 años) aún tengan suficiente para la carga. Las células de arseniuro de galio son más resistentes a la radiación que las de silicio.
Comunicaciones: frecuencias (banda L, S, C, Ku, Ka) y antenas
Los satélites se comunican con las estaciones terrenas a través de ondas de radio en frecuencias asignadas por la UIT (Unión Internacional de Telecomunicaciones). Las bandas más usadas:
- Banda L (1-2 GHz): GPS, Galileo, comunicaciones móviles por satélite (Iridium, Inmarsat). Penetra bien la atmósfera y las nubes.
- Banda S (2-4 GHz): Telemetría, seguimiento y control (TT&C) de muchos satélites.
- Banda C (4-8 GHz): Comunicaciones fijas, teledifusión. Menos atenuación por lluvia que las bandas altas.
- Banda Ku (12-18 GHz): Televisión por satélite (Astra, Hispasat), banda ancha. Sensible a la lluvia (atenuación de 0.5-2 dB en tormenta).
- Banda Ka (26-40 GHz): Banda ancha de alta velocidad (Starlink, OneWeb, KA-SAT). Mucha capacidad (ancho de banda amplio) pero muy afectada por la lluvia (atenuación >5 dB en tormenta fuerte).
La antena del satélite puede ser una antena de bocina, un reflector parabólico (como las de TV en casa) o una antena de matriz en fase (phased array), que permite formar haces electrónicamente sin mover la antena físicamente. Starlink usa arrays en fase en ambos extremos (satélite y antena terrestre).
El enlace de subida (uplink) desde la estación terrestre usa una frecuencia y el enlace de bajada (downlink) otra (transpondedor). Los satélites geoestacionarios tienen un repetidor que recibe la señal débil, la amplifica, cambia de frecuencia (para evitar interferencias) y la retransmite hacia la Tierra.
Propulsión y control de actitud: mantener la orientación y la órbita
Un satélite necesita control de actitud (orientación) para apuntar sus paneles al Sol, sus antenas a la Tierra y sus instrumentos al objetivo. Los métodos más comunes:
- Ruedas de reacción (reaction wheels): Volantes de inercia que giran a alta velocidad. Al acelerar o frenar una rueda, el satélite rota en sentido contrario (conservación del momento angular). Son precisos y no consumen combustible, pero pueden saturarse (alcanzar velocidad máxima) y necesitan descargarse con magnetotorquers.
- Magnetotorquers (torque rods): Bobinas electromagnéticas que interactúan con el campo magnético terrestre, creando un par que descarga las ruedas de reacción. Solo funcionan en órbitas bajas, donde el campo es apreciable.
- Propulsores (thrusters): Pequeños motores de hidracina (N₂H₄) o gas frío (nitrógeno) que producen empuje para maniobras de corrección de órbita (estación) y control de actitud en satélites más grandes. Los satélites de comunicaciones GEO llevan combustible para 10-15 años.
La propulsión eléctrica (propulsores iónicos) usa campos eléctricos para acelerar iones de xenón (Xe⁺) a velocidades muy altas (20-50 km/s). Son mucho más eficientes que los químicos (impulso específico >3000 s vs. 300 s), pero el empuje es muy bajo (milinewtons). Se usan para mantener la posición de satélites GEO y para misiones de exploración profunda (por ejemplo, la sonda Dawn a Vesta y Ceres). Las maniobras de inserción orbital (elevar el perigeo, circularizar) aún requieren motores químicos.
Basura espacial y maniobras de evitación
Hay más de 30.000 objetos de más de 10 cm orbitando la Tierra (satélites activos, inactivos, etapas de cohetes, fragmentos). A 7.5 km/s, un tornillo de 1 cm puede dañar gravemente un satélite. La Red de Vigilancia Espacial (SSN) de EEUU y otros países trackean estos objetos. Los satélites activos realizan maniobras de evitación cuando la probabilidad de colisión supera 1/10.000. En 2021, el satélite europeo Sentinel-1A tuvo que encender sus propulsores para esquivar un fragmento del satélite ruso Cosmos-1408.
Satélites destacados: GPS, Galileo, Starlink, satélites meteorológicos
GPS y Galileo (sistemas de navegación global): Constelaciones de 24-30 satélites en órbita MEO (20.000-23.000 km). Cada satélite lleva relojes atómicos de rubidio o cesio (precisión de nanosegundos). El receptor GPS mide el tiempo de llegada de las señales de al menos 4 satélites y triangula su posición dentro de unos metros. Galileo es el sistema europeo (operativo desde 2016), similar al GPS estadounidense y al GLONASS ruso.
Starlink (SpaceX): Constelación LEO de miles de satélites (actualmente >5.000) para internet de banda ancha global. Cada satélite pesa unos 300 kg, tiene paneles solares desplegables, antenas phased array en Ku/Ka y enlaces láser entre satélites para reducir la dependencia de estaciones en Tierra. Orbita a 550 km. Ofrece latencias de 20-40 ms, superiores al GEO. Preocupa la contaminación visual astronómica (brillo de los satélites y estelas en imágenes de telescopios).
Satélites meteorológicos: Los geoestacionarios (GOES de EEUU, Meteosat de EOSAT) proporcionan imágenes de nubes cada 5-15 minutos, esenciales para previsión del tiempo y seguimiento de huracanes. Los polares (NOAA, MetOp, Fengyun) dan cobertura global y datos para modelos numéricos.
Satélites de observación terrestre: Landsat (NASA/USGS, desde 1972), Sentinel (Programa Copernicus de la UE), SPOT. Resolución de hasta 30 cm por píxel en satélites comerciales (WorldView-3, Maxar). Se usan para cartografía, agricultura de precisión, vigilancia de deforestación, catástrofes.