NORAD, Gabbard og KesslerRediger
Willy Ley forudsagde i 1960, at “Med tiden vil et antal af sådanne tilfældigt for heldige skud blive ophobet i rummet og må fjernes, når den bemandede rumflyvning kommer”. Efter opsendelsen af Sputnik 1 i 1957 begyndte den nordamerikanske luft- og rumforsvarskommando (NORAD) at udarbejde en database (Space Object Catalog) over alle kendte raketopsendelser og objekter, der nåede kredsløb: satellitter, beskyttelsesskjolde og boosterraketter med over- og undertrin. NASA offentliggjorde senere ændrede versioner af databasen i to-linjers elementsæt, og i begyndelsen af 1980’erne blev de genudgivet af CelesTrak-bulletinsystemet.
De trackere, der fodrede databasen, var opmærksomme på andre objekter i kredsløb, hvoraf mange var resultatet af eksplosioner i kredsløb. Nogle var forsætligt forårsaget under afprøvningen af antisatellitvåben (ASAT) i 1960’erne, og andre var resultatet af raketstadier, der eksploderede i kredsløb, da overskydende drivmiddel ekspanderede og sprængte deres tanke. For at forbedre sporingen førte NORAD-medarbejderen John Gabbard en separat database. Ved at studere eksplosionerne udviklede Gabbard en teknik til at forudsige produkternes baner i kredsløb, og Gabbard-diagrammer (eller plots) er nu meget udbredt. Disse undersøgelser blev brugt til at forbedre modelleringen af banernes udvikling og henfald.
Da NORAD-databasen blev offentligt tilgængelig i løbet af 1970’erne, anvendte NASA-forskeren Donald J. Kessler den teknik, der var udviklet til asteroide-bælteundersøgelsen, på databasen over kendte objekter. I 1978 var Kessler og Burton Cour-Palais medforfattere til “Collision Frequency of Artificial Satellites: The Creation of a Debris Belt”, hvori de påviste, at den proces, der styrer udviklingen af asteroider, ville medføre en lignende kollisionsproces i LEO i løbet af årtier snarere end milliarder af år. De konkluderede, at omkring år 2000 ville rumaffald overhale mikrometeoroider som den primære ablative risiko for rumfartøjer i kredsløb.
På det tidspunkt var det en udbredt opfattelse, at modstand fra den øvre atmosfære ville fjerne rumaffaldet fra kredsløbet hurtigere, end det blev skabt. Gabbard var imidlertid klar over, at antallet og typen af objekter i rummet var underrepræsenteret i NORAD-dataene, og han var bekendt med dens adfærd. I et interview kort efter offentliggørelsen af Kesslers artikel opfandt Gabbard udtrykket Kesslers syndrom til at betegne ophobningen af vragrester; det blev almindeligt anvendt efter dets fremkomst i en artikel i Popular Science fra 1982, som vandt Aviation-Space Writers Association 1982 National Journalism Award.
Opfølgende undersøgelserRediger
Manglen på hårde data om rumaffald gav anledning til en række undersøgelser for bedre at karakterisere LEO-miljøet. I oktober 1979 gav NASA Kessler midler til yderligere undersøgelser. Der blev anvendt flere tilgange i disse undersøgelser.
Optiske teleskoper og kortbølgeradar blev anvendt til at måle antallet og størrelsen af rumobjekter, og disse målinger viste, at det offentliggjorte befolkningstal var mindst 50 % for lavt. Før dette blev det antaget, at NORAD-databasen tegnede sig for størstedelen af de store objekter i kredsløb. Nogle objekter (typisk amerikanske militære rumfartøjer) viste sig at være udeladt fra NORAD-listen, og andre blev ikke medtaget, fordi de blev anset for at være uvæsentlige. Listen kunne ikke uden videre redegøre for objekter under 20 cm (7,9 in) i størrelse – især vragrester fra eksploderende raketfaser og flere anti-satellitforsøg fra 1960’erne.
Returnerede rumfartøjer blev mikroskopisk undersøgt for små nedslag, og sektioner af Skylab og Apollo Command/Service Module, der blev bjærget, viste sig at være hullede. Hver undersøgelse viste, at affaldsstrømmen var højere end forventet, og at affaldet var den primære kilde til mikrometeoroider og kollisioner med orbital affald i rummet. LEO viste allerede Kesslers syndrom.
I 1978 fandt Kessler, at 42 procent af det katalogiserede vragrester var resultatet af 19 hændelser, primært eksplosioner af brugte raketstadier (især amerikanske Delta-raketter). Han opdagede dette ved først at identificere de opsendelser, der blev beskrevet som havende et stort antal objekter i forbindelse med en nyttelast, og derefter undersøge litteraturen for at finde frem til de raketter, der blev brugt i opsendelsen. I 1979 resulterede denne opdagelse i oprettelsen af NASA’s Orbital Debris Program efter en briefing til NASA’s øverste ledelse, hvorved den tidligere fastlåste opfattelse, at det meste ukendte affald stammede fra gamle ASAT-tests og ikke fra amerikanske raketeksplosioner i det øverste trin, som tilsyneladende let kunne håndteres ved at tømme det ubrugte brændstof fra Delta-raketten i det øverste trin efter indsprøjtningen af nyttelasten, blev omstødt. Fra 1986, da det blev opdaget, at andre internationale agenturer muligvis oplevede den samme type problemer, udvidede NASA sit program til at omfatte internationale agenturer, hvoraf den første var Den Europæiske Rumorganisation.:2 En række andre Delta-komponenter i kredsløb (Delta var en arbejdshest i det amerikanske rumprogram) var endnu ikke eksploderet.
Et nyt Kessler-syndromRediger
I løbet af 1980’erne gennemførte det amerikanske luftvåben (USAF) et eksperimentelt program for at afgøre, hvad der ville ske, hvis vragrester kolliderede med satellitter eller andre vragrester. Undersøgelsen viste, at processen adskilte sig fra mikrometeoroidekollisioner, idet der blev skabt store stykker vragrester, som ville blive kollisionstrusler.
I 1991 offentliggjorde Kessler “Collisional cascading: The limits of population growth in low Earth orbit” med de bedste data, der var til rådighed på det tidspunkt. Med henvisning til USAF’s konklusioner om skabelse af vragrester skrev han, at selv om næsten alle vragresterobjekter (såsom malingpletter) var lette, var størstedelen af dens masse i vragrester på omkring 1 kg (2,2 lb) eller tungere. Denne masse kunne ødelægge et rumfartøj ved nedslaget og skabe mere vragrester i det kritiske masseområde. Ifølge National Academy of Sciences:
Et objekt på 1 kg, der rammer med 10 km/s, er f.eks. sandsynligvis i stand til katastrofalt at splitte et rumfartøj på 1.000 kg op, hvis det rammer et element med høj massefylde i rumfartøjet. Ved et sådant sammenbrud ville der opstå talrige fragmenter, der er større end 1 kg.
Kesslers analyse delte problemet op i tre dele. Med en tilstrækkelig lav massefylde er tilføjelsen af vragdele ved nedslag langsommere end deres henfaldshastighed, og problemet er ikke væsentligt. Derunder er der en kritisk tæthed, hvor yderligere vragrester fører til yderligere kollisioner. Ved tætheder over denne kritiske masse er produktionen større end nedbrydningen, hvilket fører til en kaskade af kædereaktioner, der reducerer populationen i kredsløb til små objekter (flere centimeter i størrelse) og øger risikoen for rumaktivitet. Denne kædereaktion er kendt som Kesslers syndrom.
I en historisk oversigt fra begyndelsen af 2009 opsummerede Kessler situationen:
Aggressive rumaktiviteter uden passende sikkerhedsforanstaltninger kan forkorte tiden mellem kollisioner betydeligt og skabe en uacceptabel fare for fremtidige rumfartøjer. Nogle af de mest miljøfarlige aktiviteter i rummet omfatter store konstellationer som dem, der oprindeligt blev foreslået af det strategiske forsvarsinitiativ i midten af 1980’erne, store strukturer som dem, der blev overvejet i slutningen af 1970’erne til opbygning af solkraftværker i kredsløb om Jorden, og anti-satellitkrigsførelse ved hjælp af systemer, der er afprøvet af Sovjetunionen, USA og Kina i løbet af de sidste 30 år. Sådanne aggressive aktiviteter kunne skabe en situation, hvor en enkelt satellitfejl kunne føre til kaskadefejl på mange satellitter inden for en periode, der er meget kortere end år.