Engenheiros aeroespaciais do MIT descobriram que as emissões de gases de efeito estufa estão mudando o ambiente do espaço próximo à Terra de maneiras que, com o tempo, reduzirão o número de satélites que podem operar de forma sustentável ali.

Em um estudo publicado hoje na Nature Sustainability , os pesquisadores relatam que o dióxido de carbono e outros gases de efeito estufa podem fazer com que a atmosfera superior encolha. Uma camada atmosférica de interesse especial é a termosfera, onde a Estação Espacial Internacional e a maioria dos satélites orbitam hoje. Quando a termosfera se contrai, a densidade decrescente reduz o arrasto atmosférico — uma força que puxa satélites antigos e outros detritos para altitudes onde eles encontrarão moléculas de ar e queimarão.

Portanto, menos arrasto significa maior vida útil para o lixo espacial, que ficará espalhado por regiões procuradas por décadas e aumentará o potencial de colisões em órbita.

A equipe realizou simulações de como as emissões de carbono afetam a atmosfera superior e a dinâmica orbital, a fim de estimar a “capacidade de carga do satélite” da órbita baixa da Terra. Essas simulações preveem que, até o ano 2100, a capacidade de carga das regiões mais populares pode ser reduzida em 50-66 por cento devido aos efeitos dos gases de efeito estufa.

“Nosso comportamento com gases de efeito estufa aqui na Terra nos últimos 100 anos está afetando a maneira como operaremos os satélites nos próximos 100 anos”, diz o autor do estudo Richard Linares, professor associado do Departamento de Aeronáutica e Astronáutica (AeroAstro) do MIT.

“A atmosfera superior está em um estado frágil, pois as mudanças climáticas perturbam o status quo”, acrescenta o autor principal William Parker, um estudante de pós-graduação na AeroAstro. “Ao mesmo tempo, houve um aumento massivo no número de satélites lançados, especialmente para fornecer internet de banda larga do espaço. Se não gerenciarmos essa atividade com cuidado e trabalharmos para reduzir nossas emissões, o espaço pode ficar muito lotado, levando a mais colisões e detritos.”

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

A termosfera naturalmente se contrai e se expande 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 sua atmosfera mais externa esfria e se contrai temporariamente antes de se expandir novamente durante o máximo solar.

Na década de 1990, os cientistas se perguntavam qual resposta a termosfera poderia ter aos gases de efeito estufa. Sua modelagem preliminar mostrou que, enquanto os gases prendem o calor na atmosfera inferior, onde vivenciamos o aquecimento global e o clima, os mesmos gases irradiam calor em altitudes muito maiores, resfriando efetivamente a termosfera. Com esse resfriamento, os pesquisadores previram que a termosfera deveria encolher, reduzindo a densidade atmosférica em altas altitudes.

Na última década, os cientistas conseguiram medir mudanças no arrasto em satélites, o que forneceu algumas evidências de que a termosfera está se contraindo em resposta a algo mais do que o ciclo natural de 11 anos do sol.

“O céu está literalmente caindo — apenas a uma taxa que está na escala de décadas”, diz Parker. “E podemos ver isso pela forma como o arrasto em nossos satélites está mudando.”

A equipe do MIT se perguntou como essa resposta afetará o número de satélites que podem operar com segurança na órbita da Terra. Hoje, há mais de 10.000 satélites flutuando pela órbita baixa da Terra, que descreve a região do espaço até 1.200 milhas (2.000 quilômetros) da superfície da Terra. Esses satélites fornecem serviços essenciais, incluindo internet, comunicações, navegação, previsão do tempo e serviços bancários. A população de satélites aumentou nos últimos anos, exigindo que os operadores realizem manobras regulares de prevenção de colisões para se manterem seguros. Quaisquer colisões que ocorram podem gerar detritos que permanecem em órbita por décadas ou séculos, aumentando a chance de colisões subsequentes com satélites, antigos e novos.

“Mais satélites foram lançados nos últimos cinco anos do que nos 60 anos anteriores combinados”, diz Parker. “Uma das principais coisas que estamos tentando entender é se o caminho em que estamos hoje é sustentável.”

Em seu novo estudo, os pesquisadores simularam diferentes cenários de emissões de gases de efeito estufa ao longo do próximo século para investigar impactos na densidade atmosférica e no arrasto. Para cada “casca”, ou faixa de altitude de interesse, eles modelaram a dinâmica orbital e o risco de colisões de satélites com base no número de objetos dentro da casca. Eles usaram essa abordagem para identificar a “capacidade de suporte” de cada casca — um termo que é tipicamente usado em estudos de ecologia para descrever o número de indivíduos que um ecossistema pode suportar.

“Estamos pegando essa ideia de capacidade de carga e traduzindo-a para esse problema de sustentabilidade espacial, para entender quantos satélites a órbita baixa da Terra pode sustentar”, explica Parker.

A equipe comparou vários cenários: um em que as concentrações de gases de efeito estufa permanecem no nível do ano 2000 e outros em que as emissões mudam de acordo com os Caminhos Socioeconômicos Compartilhados (SSPs) do Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas (IPCC). Eles descobriram que cenários com aumentos contínuos nas emissões levariam a uma capacidade de carga significativamente reduzida em toda a órbita baixa da Terra.

Em particular, a equipe estima que até o final deste século, o número de satélites acomodados com segurança nas altitudes de 200 e 1.000 quilômetros pode ser reduzido em 50 a 66 por cento em comparação com um cenário em que as emissões permanecem nos níveis do ano 2000. Se a capacidade do satélite for excedida, mesmo em uma região local, os pesquisadores preveem que a região experimentará uma "instabilidade descontrolada", ou uma cascata de colisões que criaria tantos detritos que os satélites não poderiam mais operar com segurança lá.

Suas previsões vão até o ano de 2100, mas a equipe diz que certas camadas na atmosfera hoje já estão lotadas de satélites, particularmente de "megaconstelações" recentes, como a Starlink da SpaceX, que compreende frotas de milhares de pequenos satélites de internet.

“A megaconstelação é uma nova tendência, e estamos mostrando que, por causa das mudanças climáticas, teremos uma capacidade reduzida em órbita”, diz Linares. “E em regiões locais, estamos perto de nos aproximar desse valor de capacidade hoje.”

“Dependemos da atmosfera para limpar nossos detritos. Se a atmosfera está mudando, então o ambiente de detritos também mudará”, acrescenta Parker. “Mostramos que a perspectiva de longo prazo sobre detritos orbitais depende criticamente da redução de nossas emissões de gases de efeito estufa.”

Esta pesquisa é apoiada, em parte, pela Fundação Nacional de Ciências dos EUA, pela Força Aérea dos EUA e pelo Conselho de Pesquisa do Meio Ambiente Natural do Reino Unido.