NORAD, Gabbard a KesslerEdit
Willy Ley v roce 1960 předpověděl, že „časem se ve vesmíru nahromadí řada takových náhodně příliš šťastných výstřelů, které budou muset být odstraněny, až nastane éra pilotovaných kosmických letů“. Po vypuštění Sputniku 1 v roce 1957 začalo Severoamerické velitelství pro leteckou a kosmickou obranu (NORAD) sestavovat databázi (Space Object Catalog) všech známých startů raket a objektů, které dosáhly oběžné dráhy: družic, ochranných štítů a horních a dolních stupňů nosných raket. NASA později zveřejnila upravené verze databáze ve dvouřádkové sadě prvků a počátkem osmdesátých let je znovu publikoval systém CelesTrak bulletin board.
Sledovatelé, kteří databázi doplňovali, věděli o dalších objektech na oběžné dráze, z nichž mnohé byly výsledkem explozí na oběžné dráze. Některé byly způsobeny úmyslně během testování protisatelitních zbraní (ASAT) v 60. letech 20. století a jiné byly důsledkem výbuchu raketových stupňů na oběžné dráze, když zbytky pohonných látek expandovaly a protrhly jejich nádrže. Pro lepší sledování vedl zaměstnanec NORAD John Gabbard samostatnou databázi. Při studiu výbuchů vyvinul Gabbard techniku pro předpovídání orbitálních drah jejich produktů a Gabbardovy diagramy (nebo grafy) jsou nyní široce používány. Tyto studie byly použity ke zlepšení modelování vývoje a rozpadu oběžných drah.
Když se v 70. letech 20. století stala databáze NORAD veřejně dostupnou, vědec NASA Donald J. Kessler použil techniku vyvinutou pro studium pásu asteroidů na databázi známých objektů. V roce 1978 Kessler a Burton Cour-Palais společně napsali knihu „Collision Frequency of Artificial Satellites: The Creation of a Debris Belt“, v němž prokázali, že proces řídící vývoj asteroidů způsobí podobný proces srážek na LEO spíše za desítky let než za miliardy let. Došli k závěru, že přibližně do roku 2000 kosmické smetí předstihne mikrometeoroidy jako hlavní ablační riziko pro kosmické lodě na oběžné dráze.
V té době se všeobecně předpokládalo, že odpor horních vrstev atmosféry bude smetí z oběžné dráhy odstraňovat rychleji, než bude vznikat. Gabbard si však byl vědom toho, že počet a typ objektů ve vesmíru je v údajích NORAD nedostatečně zastoupen, a byl obeznámen s jeho chováním. V rozhovoru krátce po zveřejnění Kesslerovy práce Gabbard pro hromadění trosek vymyslel termín Kesslerův syndrom; ten se začal široce používat poté, co se v roce 1982 objevil v článku časopisu Popular Science, který získal Národní novinářskou cenu Aviation-Space Writers Association 1982.
Následné studieEdit
Nedostatek přesných údajů o kosmickém smetí podnítil řadu studií, které měly lépe charakterizovat prostředí LEO. V říjnu 1979 poskytla NASA Kesslerovi finanční prostředky na další studie. Tyto studie využívaly několik přístupů.
K měření počtu a velikosti kosmických objektů byly použity optické teleskopy a krátkovlnné radary a tato měření prokázala, že publikovaný počet obyvatel je nejméně o 50 % nižší. Předtím se mělo za to, že databáze NORAD zahrnuje většinu velkých objektů na oběžné dráze. Bylo zjištěno, že některé objekty (typicky americké vojenské kosmické lodě) byly ze seznamu NORAD vynechány a jiné nebyly zahrnuty, protože byly považovány za nedůležité. Seznam nemohl snadno zohlednit objekty o velikosti menší než 20 cm (7,9 palce) – zejména úlomky z explodujících raketových stupňů a několika protisatelitních testů ze šedesátých let.
Vrácené kosmické lodě byly mikroskopicky zkoumány na malé nárazy a bylo zjištěno, že části Skylabu a velitelského/služebního modulu Apolla, které byly vyzvednuty, mají důlky. Každá studie ukázala, že tok úlomků byl vyšší, než se očekávalo, a úlomky byly hlavním zdrojem mikrometeoroidů a srážek s orbitálním odpadem ve vesmíru. LEO již prokázal Kesslerův syndrom.
V roce 1978 Kessler zjistil, že 42 % katalogizovaných trosek je výsledkem 19 událostí, především explozí vyhořelých raketových stupňů (zejména amerických raket Delta). Zjistil to tak, že nejprve identifikoval ty starty, u nichž bylo popsáno velké množství objektů spojených s užitečným zatížením, a poté prozkoumal literaturu, aby určil rakety použité při startu. V roce 1979 toto zjištění vyústilo v založení programu NASA Orbital Debris Program po informaci pro vrcholové vedení NASA, čímž bylo vyvráceno dosavadní přesvědčení, že většina neznámých úlomků pochází ze starých testů ASAT, nikoli z výbuchů horních stupňů amerických raket, které lze zdánlivě snadno zvládnout vyčerpáním nespotřebovaného paliva z horního stupně rakety Delta po vstříknutí užitečného zatížení. Od roku 1986, kdy bylo zjištěno, že se stejným typem problému se pravděpodobně potýkají i další mezinárodní agentury, rozšířila NASA svůj program o mezinárodní agentury, z nichž první byla Evropská kosmická agentura.:2 Řada dalších součástí Delty na oběžné dráze (Delta byla pracovním koněm amerického kosmického programu) dosud neexplodovala.
Nový Kesslerův syndromEdit
V průběhu 80. let 20. století provádělo americké letectvo (USAF) experimentální program, jehož cílem bylo zjistit, co se stane, pokud se úlomky srazí se satelity nebo jinými úlomky. Studie ukázala, že proces se liší od srážek s mikrometeoroidy, kdy se vytvoří velké kusy trosek, které se stanou hrozbou srážky.
V roce 1991 Kessler publikoval „Collisional cascading: The limits of population growth in low Earth orbit“ s nejlepšími údaji, které byly v té době k dispozici. S odvoláním na závěry USAF o vzniku trosek napsal, že ačkoli téměř všechny objekty trosek (např. skvrny barvy) byly lehké, většinu jejich hmotnosti tvořily trosky o hmotnosti kolem 1 kg (2,2 lb) nebo těžší. Tato hmotnost by mohla při nárazu zničit kosmickou loď a vytvořit další trosky v oblasti kritické hmotnosti. Podle Národní akademie věd:
Například objekt o hmotnosti 1 kg dopadající rychlostí 10 km/s je pravděpodobně schopen katastrofálně rozbít kosmickou loď o hmotnosti 1 000 kg, pokud narazí na prvek kosmické lodi s vysokou hustotou. Při takovém rozpadu by vznikly četné úlomky větší než 1 kg.
Kesslerova analýza rozdělila problém na tři části. Při dostatečně nízké hustotě je přírůstek úlomků nárazy pomalejší než rychlost jejich rozpadu a problém není významný. Za touto hranicí je kritická hustota, kdy další úlomky vedou k dalším srážkám. Při hustotě přesahující tuto kritickou hmotnost produkce převyšuje rozpad, což vede ke kaskádové řetězové reakci redukující populaci na oběžné dráze na malé objekty (o velikosti několika centimetrů) a zvyšující nebezpečí kosmické aktivity. Tato řetězová reakce je známá jako Kesslerův syndrom.
V historickém přehledu z počátku roku 2009 Kessler shrnul situaci:
Agresivní kosmické aktivity bez odpovídajících bezpečnostních opatření by mohly výrazně zkrátit dobu mezi srážkami a vytvořit nepřijatelné nebezpečí pro budoucí kosmické lodě. K ekologicky nejnebezpečnějším aktivitám ve vesmíru patří velké konstelace, jaké byly původně navrženy v rámci Strategické obranné iniciativy v polovině 80. let 20. století, velké stavby, o jakých se uvažovalo koncem 70. let 20. století při budování slunečních elektráren na oběžné dráze Země, a boj proti družicím pomocí systémů, které v uplynulých 30 letech testoval SSSR, USA a Čína. Takové agresivní aktivity by mohly vytvořit situaci, kdy by selhání jedné družice mohlo vést ke kaskádovému selhání mnoha družic v období mnohem kratším než roky.
.