O Caso das Reentradas de Objetos Espaciais

Riscos desnecessários criados por reentradas descontroladas de foguetes

Michael Byers , Ewan Wright , Aaron Boley e Cameron Byers 

A maioria dos lançamentos espaciais pode resultar em reentradas descontroladas de corpos de foguetes, criando riscos de acidentes para pessoas em terra, no mar e em aviões. Esses riscos há muito são tratados como insignificantes, mas o número de corpos de foguetes abandonados em órbita está crescendo, enquanto foguetes de lançamentos anteriores continuam a reentrar na atmosfera devido ao arrasto. Usando relatórios disponíveis publicamente de lançamentos e dados sobre corpos de foguetes abandonados em órbita, calculamos as expectativas aproximadas de baixas devido a reentradas de corpos de foguetes em função da latitude. A distribuição de lançamentos e reentradas de foguetes faz com que a expectativa de baixas (ou seja, risco à vida humana) seja desproporcionalmente suportada pelas populações do Sul Global, com os principais estados lançadores trazem risco para o resto do mundo. Argumentamos que as recentes melhorias na tecnologia e no design das missões tornam desnecessária a maioria dessas reentradas descontroladas, mas que os estados e empresas lançadores estão relutantes em assumir os custos crescentes envolvidos. Os governos nacionais cujas populações estão sendo colocadas em risco devem exigir que os principais estados espaciais ajam juntos para fazer reentradas controladas de foguetes, criar consequências significativas para o não cumprimento e, assim, eliminar os riscos para todos.

Contexto

Em maio de 2020, um estágio central de 18 t de um foguete Longa Marcha 5B reentrou na atmosfera da órbita de maneira descontrolada depois de ser usado para lançar uma cápsula experimental não tripulada. Os destroços do corpo do foguete, incluindo um cano de 12 m de comprimento, atingiram duas aldeias na Costa do Marfim, causando danos a vários edifícios. Um ano depois, outro estágio central de 18 t de um foguete Longa Marcha 5B fez uma reentrada descontrolada depois de ser usado para lançar parte da nova estação espacial chinesa Tiangong na órbita baixa da Terra. Desta vez, os destroços caíram no Oceano Índico. Esses dois estágios do foguete foram os objetos mais pesados ​​a reentrar de maneira descontrolada desde a estação espacial Salyut-7 da União Soviética em 1991.

A China recebeu críticas por impor os riscos de reentrada de seus foguetes no mundo, inclusive de funcionários do governo dos EUA. No entanto, não há consenso internacional sobre o nível aceitável de risco, e outros estados espaciais – incluindo os EUA – fazem escolhas semelhantes em relação às reentradas não controladas. Em 2016, o segundo estágio de um foguete da SpaceX foi abandonado em órbita; ele caiu um mês depois sobre a Indonésia, com dois tanques de pressurizador do tamanho de geladeiras atingindo o solo intactos.

A complexidade tecnológica e os custos adicionais envolvidos na obtenção de reentradas controladas ajudam a explicar a escassez de regras internacionais sobre o assunto. Além disso, os riscos de acidentes são geralmente avaliados lançamento a lançamento, o que os mantém baixos e facilita para os governos justificarem reentradas descontroladas. No entanto, à medida que o uso do espaço pela humanidade se expande, os riscos cumulativos também devem ser considerados. Atualmente, os provedores de lançamento têm acesso a tecnologias e projetos de missão que podem eliminar a necessidade da maioria das reentradas não controladas. O desafio, em um mercado de lançamentos espaciais cada vez mais diversificado e competitivo, não é apenas elevar os padrões de segurança, mas garantir que todos estejam sujeitos a eles, e fazer tudo isso sem criar barreiras desarrazoadas para novos participantes.

O problema

As sequências de lançamento variam entre os modelos de foguetes. Alguns foguetes têm ‘boosters’, que são lançados suborbitalmente durante a sequência de lançamento com alguma precisão e geralmente caem no oceano. Todos os foguetes têm um ‘núcleo’ ou ‘primeiro estágio’, alguns dos quais são projetados para serem suborbitais e outros orbitais. Se o estágio central atingir a órbita, ele será abandonado lá (como os foguetes Longa Marcha 5B) ou trazido de volta através de uma reentrada controlada. Quando um estágio de foguete é abandonado com perigeus suficientemente baixos, o arrasto do ar reduz gradualmente sua altitude e eventualmente faz com que ele volte a entrar na atmosfera de forma descontrolada, o que pode ocorrer em qualquer ponto de sua trajetória de voo. Em contraste, as reentradas controladas usam uma queima de motor para direcionar o estágio para uma área remota do oceano ou zona de recuperação. A maioria dos foguetes também tem um ou mais ‘estágios superiores’, que implantam a ‘carga útil’ (como um ou mais satélites). Embora os estágios superiores às vezes sejam trazidos de volta à Terra através de uma reentrada controlada, eles são frequentemente abandonados em órbita. Este artigo se concentra em estágios orbitais abandonados (doravante genericamente chamados de ‘corpos de foguetes’) que retornam à Terra de maneira descontrolada – criando perigo para as pessoas na superfície.

Em 2020, mais de 60% dos lançamentos para a órbita baixa da Terra resultaram no abandono de um corpo de foguete em órbita 1 . Permanecendo em órbita por dias, meses ou até anos, esses grandes objetos representam um risco de colisão para satélites operacionais. Eles também podem, em caso de colisão ou explosão de combustível residual, fragmentar-se em milhares de pedaços menores, mas ainda potencialmente destrutivos, de detritos espaciais 2 , criando ainda mais riscos para os satélites. Há ainda outro risco, que é o foco deste artigo: quando estágios intactos retornam à Terra, uma fração substancial de sua massa sobrevive ao calor da reentrada atmosférica como detritos 3 . Muitas das peças sobreviventes são potencialmente letais, representando sérios riscos em terra, no mar e para pessoas em aviões.

Nos EUA, as Práticas Padrão de Mitigação de Detritos Orbitais (ODMSPs) se aplicam a todos os lançamentos e exigem que o risco de um acidente de um corpo de foguete reentrando esteja abaixo do limite de 1 em 10.000 4 . No entanto, a Força Aérea dos EUA dispensou os requisitos do ODMSP para 37 dos 66 lançamentos realizados para ela entre 2011 e 2018, com base no fato de que seria muito caro substituir foguetes não conformes por outros conformes 5 . A NASA dispensou os requisitos sete vezes entre 2008 e 2018, inclusive para um lançamento do Atlas V em 2015, onde o risco de acidentes foi estimado em 1 em 600 (ref. 6 ).

O limite de 1 em 10.000 para o risco de acidentes é arbitrário 7 e faz pouco sentido em uma era em que novas tecnologias e perfis de missão permitem reentradas controladas. Também não aborda resultados de baixo risco e alta consequência, como um pedaço de um foguete colidindo com uma cidade de alta densidade ou uma grande aeronave de passageiros. Neste último caso, mesmo um pequeno pedaço pode causar centenas de vítimas 3 .

Internacionalmente, não existe um limite de risco de acidentes claro e amplamente acordado. As Diretrizes de Mitigação de Detritos Espaciais de 2010 da ONU recomendam que a reentrada de espaçonaves não represente ‘risco indevido para pessoas ou propriedades’, mas não definem o que isso significa 8 . As Diretrizes da ONU de 2018 para a Sustentabilidade de Longo Prazo das Atividades do Espaço Exterior pedem aos governos nacionais que tratem dos riscos associados à reentrada descontrolada de objetos espaciais, mas não especificam como 9 . Não há nenhum tratado vinculante que aborde reentradas de corpos de foguetes, além da Convenção de Responsabilidade de 1972, que estipula que ‘[um] Estado lançador será absolutamente responsável pelo pagamento de indenização por danos causados ​​por seu objeto espacial na superfície da terra ou a aeronaves em voo’ 10 .

Embora a possibilidade de responsabilidade muitas vezes induza ao bom comportamento, nesta questão os governos aparentemente optaram por arcar com o pequeno risco de ter que compensar uma ou mais vítimas, em vez de exigir que os fornecedores de lançamentos façam mudanças tecnológicas ou de design de missão, caras. Como em algumas outras áreas de atividade governamental e comercial, o ‘risco de responsabilidade’ é tratado apenas como outro custo de fazer negócios 11 . Essa abordagem pode ter sido facilitada pelo fato de que o risco de acidentes é desproporcionalmente suportado pelas populações de alguns dos estados mais pobres do mundo, como demonstra a Figura 1 .

figura 1
Fig. 1: Expectativas de baixas.

Avaliação do risco de acidentes

O catálogo de satélites disponível publicamente 12 fornece dados para objetos que estão atualmente em órbita, bem como aqueles que entraram novamente, incluindo corpos de foguetes. Nos últimos 30 anos (4 de maio de 1992 a 5 de maio de 2022), mais de 1.500 corpos de foguetes saíram de órbita 12 . Destes, estimamos que mais de 70% desorbitaram de forma descontrolada, correspondendo a uma expectativa de sinistro de cerca de 0,015 m −2 . Isso significa que, pelo valor nominal, se o corpo médio do foguete causasse uma área de acidente de 10 m 2 , havia uma chance de aproximadamente 14% de uma ou mais baixas ao longo desse tempo. Embora nenhum evento desse tipo tenha ocorrido, ou pelo menos tenha sido relatado, esses cálculos mostram que o risco incorrido está longe de ser desprezível.

A expectativa de baixas é calculada da seguinte forma. Como cada corpo de foguete abandonado é deixado em uma inclinação orbital específica, a probabilidade de um corpo não controlado (ou qualquer objeto) reentrar em uma determinada latitude pode ser expressa por meio de uma função de ponderação de latitude. O peso associado a uma latitude representa a fração de tempo que um objeto em uma inclinação fixa passa sobre a latitude em questão. Um objeto em uma órbita de inclinação de zero grau teria uma função de ponderação que é uma unidade no equador e zero em qualquer outro lugar, enquanto um objeto em uma órbita polar teria uma função de ponderação constante para todas as latitudes. Para todas as outras inclinações, uma órbita individual terá uma função de ponderação com picos nas latitudes próximas ao valor da inclinação orbital, uma distribuição em forma de U entre os picos, e pesos de zero em latitudes superiores à inclinação. A função de ponderação para um objeto individual é normalizada de modo que a soma dos pesos em todas as latitudes seja a unidade, enquanto a função de ponderação para uma população é a soma das funções individuais.

Uma expectativa de baixas é determinada tomando o produto da função de ponderação e a densidade populacional em uma determinada latitude e somando o resultado em todas as latitudes. Para referência, a Fig. 1c mostra a expectativa de casualidade para um único objeto reentrando em função de sua inclinação orbital, consistente com trabalhos anteriores 13 . Objetos espaciais com uma inclinação em torno de 30° passam mais tempo em densidades populacionais mais altas e, portanto, têm uma expectativa de baixas mais alta. Os conjuntos de dados para a população mundial para diferentes anos são GPWv4 (ref. 14 ).

Uma reentrada de corpo de foguete é considerada não-controlada nesta análise se o intervalo de tempo entre a data de lançamento do foguete e a data de reentrada for de 7 dias ou mais. Vários intervalos de tempo foram testados e atrasos de 3 a 7 dias produzem resultados comparáveis, sendo o atraso mais longo mais conservador e, portanto, favorecido nesta análise. Para a expectativa de baixas dos últimos 30 anos, relatada acima, é usada a população mundial de 2005. Este procedimento básico também pode ser usado para estimar o risco futuro de reentradas descontroladas do corpo do foguete.

Resultados

O futuro risco de reentrada do corpo do foguete pode ser modelado de várias maneiras; exploramos dois. Primeiro, o risco de longo prazo resultante do acúmulo de corpos de foguetes em órbita pode ser estimado observando quais órbitas de corpos têm um perigeu inferior a 600 km, com esse perigeu representando uma divisão imperfeita, mas plausível entre corpos de foguete que saírão de órbita nas próximas décadas e aqueles que exigem prazos muito mais longos. Para este corte, existem 651 corpos de foguetes, com uma expectativa de baixas correspondente de 0,01 m −2 . Em segundo lugar, pegamos a tendência de reentradas de foguetes dos últimos 30 anos e a aplicamos aos próximos 10 anos, dando origem a um risco de acidentes de 0,006 m −2 para aquele período. Ambas são estimativas conservadoras, pois o número de lançamentos está aumentando rapidamente. Assumindo novamente que cada reentrada espalha detritos letais em uma área de 10 m 2 , concluímos que as práticas atuais têm 10% de chance de uma ou mais vítimas ao longo de uma década.

No primeiro método (corte perigeu), não há uma escala de tempo de reentrada explícita. Como tal, apenas a população mundial do ano 2020 é usada para calcular a expectativa de baixas correspondente. Este método identifica mais claramente as consequências da longa vida da população de corpos de foguetes em órbita. No entanto, não leva em conta a população de foguetes de curta duração, como os corpos que reentram dentro de algumas semanas após o lançamento. O método também não considera o crescimento da população mundial.

No segundo método, essas deficiências são abordadas, em parte, usando o histórico de reentrada como um proxy para a futura taxa de reentrada do corpo do foguete. Nesta abordagem, o catálogo é pesquisado por todos os foguetes que reentraram nos últimos 30 anos. Como não está imediatamente claro a partir do catálogo sozinho qual deles reentrou de forma incontrolável, assumimos que qualquer corpo de foguete que gaste mais de 7 dias em órbita está descontrolado, conforme observado acima. Finalmente, as funções de ponderação para cada reentrada não controlada são calculadas em média ao longo de 30 anos para chegar a uma função de ponderação média total representativa de um ano de reentradas.

O crescimento da população mundial é modelado como um aumento populacional de 1% ao ano. Supondo que não haja mudanças na taxa de reentrada ou na distribuição da população do corpo do foguete, a função de ponderação média total resultante é multiplicada pela distribuição da densidade populacional mundial para cada ano, com os resultados somados ao longo de 10 anos. Uma soma adicional sobre a latitude é feita para obter o risco de acidentes em 10 anos.

Os dois métodos produzem resultados semelhantes, apesar das diferentes abordagens. Além disso, as respectivas funções de ponderação têm uma característica comum: os maiores pesos concentram-se perto do equador, conforme mostrado na Fig. 2 .

Figura 2
Fig. 2: Funções de ponderação do corpo do foguete.

Muitos dos corpos de foguetes que levam a reentradas descontroladas são inferidos como associados a lançamentos em órbitas geossíncronas, localizadas perto do equador. Como resultado, o risco cumulativo de reentradas de foguetes é significativamente maior nos estados do Sul do globo, em comparação com os principais estados espaciais. As latitudes de Jacarta, Daca, Cidade do México, Bogotá e Lagos são pelo menos três vezes mais prováveis ​​que as de Washington DC, Nova York, Pequim e Moscou de ter um foguete reentrando sobre elas, segundo uma estimativa, com base em a população atual de foguetes em órbita (veja a Fig. 3 ).

Figura 3
Fig. 3: Densidade populacional do mundo 2020 por latitude (plot) e função de peso corporal do foguete (mapa de calor logarítmico) sobreposto em um mapa do mundo.

Essa situação, de riscos de atividades no mundo desenvolvido serem suportados desproporcionalmente pelas populações do mundo em desenvolvimento, não tem precedentes. Estados poderosos muitas vezes externalizam custos e os impõem a outros, sendo as emissões de gases de efeito estufa apenas um exemplo 15 . O risco desproporcional de corpos de foguetes é ainda mais exacerbado pela pobreza, com edifícios no Sul normalmente fornecendo um menor grau de proteção; segundo a NASA, aproximadamente 80% da população mundial vive ‘desprotegida ou em estruturas levemente abrigadas que oferecem proteção limitada contra a queda de detritos’ 7 .

Discussão

Felizmente, permitir que os corpos dos foguetes voltem a entrar de maneira descontrolada está se tornando cada vez mais uma escolha e não uma limitação tecnológica. As reentradas controladas da órbita requerem motores que possam reacender, permitindo que o provedor de lançamento direcione o corpo do foguete para longe de áreas povoadas, geralmente para uma área remota do oceano 16 . Alguns modelos de foguetes mais antigos que não possuem motores religáveis ​​ainda são usados ​​por alguns fornecedores de lançamento; estes precisarão ser atualizados ou substituídos para alcançar um regime de reentrada seguro e controlado.

Realizar uma reentrada controlada também requer ter combustível extra a bordo, acima e além do necessário para o lançamento da carga útil. Alguns fornecedores de lançamento que operam foguetes modernos com motores religáveis ​​esgotam o propelente a bordo para aumentar a carga útil o mais alto possível, economizando tempo e combustível dos clientes – caso contrário, a carga útil terá que usar seus próprios propulsores para elevar sua órbita. No entanto, ao fazê-lo, os provedores estão negando a si mesmos a oportunidade de uma reentrada controlada. Essa abordagem para o projeto da missão também terá que ser alterada para alcançar um regime de reentrada seguro e controlado.

A maioria dessas medidas custa dinheiro. No caso do foguete Delta IV, o governo dos Estados Unidos teria concedido isenções por causa dos altos custos das atualizações 5 , embora, como entidade compradora desses lançamentos, estivesse bem posicionada para absorver o aumento do custo de missões mais seguras. No caso de missões comerciais, os custos associados a uma mudança para reentradas controladas podem afetar a capacidade de um fornecedor de lançamento de competir. No entanto, o aumento dos custos geralmente surge quando a segurança, o meio ambiente e outras externalidades negativas são internalizadas. É aí que entram as regras e os regulamentos: quando bem feitos, garantem condições equitativas para que nenhuma empresa, mesmo uma nova entrante, perca com as práticas aprimoradas.

Resolvendo o problema da ação coletiva

Os governos nacionais poderiam elevar os padrões aplicáveis ​​aos lançamentos de seu território ou de empresas ali constituídas. No entanto, governos individuais podem ter incentivos concorrentes, como reduzir seus próprios custos ou desenvolver uma indústria espacial doméstica globalmente competitiva. Reentradas descontroladas de corpos de foguetes constituem um problema de ação coletiva; existem soluções, mas cada Estado de lançador deve adotá-las.

Na década de 1970, os cientistas alertaram que os clorofluorcarbonos (CFCs) usados ​​em sistemas de refrigeração estavam convertendo e, assim, reduzindo as moléculas de ozônio na atmosfera, o que, por sua vez, permitia que mais radiação ultravioleta atingisse a superfície. Em 1985, foi adotada a Convenção de Viena para a Proteção da Camada de Ozônio 17 . Isso forneceu uma estrutura para eliminar gradualmente o uso de CFCs, com os produtos químicos específicos e prazos estabelecidos no Protocolo de Montreal de 1987 sobre Substâncias que Destroem a Camada de Ozônio 18. Esses dois tratados, que foram ratificados por todos os Estados membros da ONU, resolveram o problema da ação coletiva. Eles reduziram o uso global de CFCs em 98%, evitaram mais danos à camada de ozônio e, assim, evitaram cerca de dois milhões de mortes por câncer de pele a cada ano.

A década de 1970 também viu um risco crescente para os oceanos e linhas costeiras de derramamentos de óleo, bem como os esforços, nacional e internacionalmente, para adotar a exigência de ‘cascos duplos’ em navios-tanque. A indústria naval, preocupada com o aumento dos custos, conseguiu frustrar esses esforços – até 1989, quando o Exxon Valdez derramou cerca de 11 milhões de galões de petróleo no Estreito de Prince William, no Alasca. A cobertura da mídia sobre o acidente tornou a questão dos derramamentos de óleo uma questão de preocupação pública e, depois que o National Transportation Safety Board concluiu que um casco duplo teria reduzido substancialmente se não eliminado o derramamento 19 , o governo dos EUA exigiu que todos os novos navios-tanque portos teriam casco duplo 20. Este movimento unilateral levou então a Organização Marítima Internacional a emendar a Convenção Internacional para a Prevenção da Poluição por Navios (Convenção MARPOL) em 1992 para exigir cascos duplos em novos navios-tanque e, através de novas emendas em 2001 e 2003, para acelerar a retirada de navios com casco simples.

As emendas de 1992 à Convenção MARPOL já foram ratificadas por 150 estados (incluindo os EUA, Libéria e Panamá), representando 98% da tonelagem mundial de navios. Esse precedente, de derramamento de óleo e a exigência de casco duplo, é especialmente relevante para reentradas descontroladas de corpos de foguetes porque diz respeito à segurança do transporte em uma área além da jurisdição nacional, com derramamentos de óleo apresentando riscos para todos os estados costeiros.

Os governos cujas populações estão sendo colocadas em risco desproporcional por foguetes não controlados devem exigir que os principais Estados espaciais obriguem reentradas controladas de foguetes, criem consequências significativas para a não conformidade e, assim, eliminem os riscos para todos. Se necessário, eles podem iniciar negociações sobre uma resolução não vinculativa ou mesmo um tratado – porque eles têm maioria na Assembleia Geral das Nações Unidas. Um tratado multilateral pode não ser ratificado pelos principais Estados exploradores do espaço, mas ainda assim chamaria a atenção para a questão e estabeleceria novas expectativas de comportamento. Foi o que aconteceu com a Convenção de Minas Antipessoal de 1997: embora não ratificada pelos EUA, Rússia ou China, levou a uma redução acentuada no uso global de minas antipessoais 21 .

Na questão das reentradas descontroladas de corpos de foguetes, os estados do Sul mantêm-se apreensivos: seus cidadãos estão arcando com a maior parte dos riscos, e desnecessariamente, uma vez que as tecnologias e projetos de missão necessários para evitar baixas já existem.

Disponibilidade de dados

Os dados usados ​​neste estudo estão disponíveis via GitHub em: https://github.com/etwright1/uncontrolrocketreentries

Disponibilidade do código

Os scripts de análise usados ​​neste estudo estão disponíveis via GitHub em: https://github.com/etwright1/uncontrolrocketreentries

Referências

  1. Publicação do Relatório Anual do Ambiente Espacial da ESA GEN-DB-LOG-00288-OPS-SD (Escritório de Detritos Espaciais da Agência Espacial Europeia, 2021); https://www.sdo.esoc.esa.int/environment_report/Space_Environment_Report_latest.pdf
  2. Anz-Meador, P., Opiela, J., Shoots, D. & Liou, JC History of On-Orbit Fragmentations 15th edn, NASA/TM-2018-220037 (NASA, 2018).
  3. Ailor, W. Grandes Riscos de Descarte de Constelações (Aerospace Corporation, 2020).
  4. Práticas padrão de mitigação de detritos orbitais Atualização de novembro de 2019 (governo dos EUA, 2019).
  5. Verspieren, Q. Conformidade da Força Aérea dos EUA com as Práticas Padrão de Mitigação de Detritos Orbitais. Na Conferência de Tecnologias de Vigilância Óptica e Espacial Avançadas de Maui (Conselho de Desenvolvimento Econômico de Maui, 2020).
  6. Liou, JC Relatório Informativo de Detritos Orbitais JSC-E-DAA-TN50234 (NASA, 2017); https://netrs.nasa.gov/citations/20170011662
  7. Processo para Limitação de Detritos Orbitais NASA-STD-8719.14B (NASA, 2019).
  8. Diretrizes de Mitigação de Detritos Espaciais do Comitê sobre Usos Pacíficos do Espaço Exterior (Escritório das Nações Unidas para Assuntos do Espaço Exterior (UNOOSA), 2010).
  9. Diretrizes para a Sustentabilidade de Longo Prazo das Atividades do Espaço Exterior A/AC.105/2018/CRP.20 (Comitê das Nações Unidas sobre Usos Pacíficos do Espaço Exterior (COPOUS), 2018).
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  21. Bower, A. Normas sem as Grandes Potências: Direito Internacional e Mudanças nos Padrões Sociais na Política Mundial (Oxford University Press, 2016).

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Informação sobre os autores

  1. Departamento de Ciência Política, University of British Columbia, Vancouver, British Columbia, CanadáMichael Byers
  2. Programa de Pós-Graduação em Estudos Interdisciplinares, University of British Columbia, Vancouver, British Columbia, CanadáEwan Wright
  3. Departamento de Física e Astronomia, University of British Columbia, Vancouver, British Columbia, CanadáAaron Boley
  4. Programa de Bacharelado em Engenharia, University of Victoria, Victoria, British Columbia, Canadá
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