NORAD, Gabbard und KesslerEdit

Willy Ley prophezeite 1960: „Mit der Zeit werden sich im Weltraum eine Reihe solcher versehentlicher Fehlschüsse ansammeln, die entfernt werden müssen, wenn die Ära der bemannten Raumfahrt anbricht“. Nach dem Start von Sputnik 1 im Jahr 1957 begann das North American Aerospace Defense Command (NORAD) mit der Erstellung einer Datenbank (Space Object Catalog) aller bekannten Raketenstarts und Objekte, die die Erdumlaufbahn erreichten: Satelliten, Schutzschilde sowie Ober- und Unterstufen von Trägerraketen. Die NASA veröffentlichte später modifizierte Versionen der Datenbank im zweizeiligen Elementensatz, und in den frühen 1980er Jahren wurden sie vom CelesTrak-Bulletin-Board-System erneut veröffentlicht.

Gabbard-Diagramm von fast 300 Trümmerteilen aus dem Zerfall der fünf Monate alten dritten Stufe der chinesischen Langer-März-4-Trägerrakete am 11. März 2000

Die Verfolger, die die Datenbank fütterten, wussten von anderen Objekten in der Umlaufbahn, von denen viele das Ergebnis von Explosionen in der Umlaufbahn waren. Einige wurden in den 1960er Jahren während der Tests von Antisatellitenwaffen (ASAT) absichtlich herbeigeführt, andere waren das Ergebnis von Raketenstufen, die in der Umlaufbahn explodierten, als sich Treibstoffreste ausdehnten und ihre Tanks aufbrachen. Um die Verfolgung zu verbessern, führte der NORAD-Mitarbeiter John Gabbard eine separate Datenbank. Bei der Untersuchung der Explosionen entwickelte Gabbard eine Technik zur Vorhersage der Umlaufbahnen ihrer Produkte, und Gabbard-Diagramme (oder Plots) sind heute weit verbreitet. Die Gabbard-Diagramme (oder Diagramme) sind heute weit verbreitet. Diese Studien wurden verwendet, um die Modellierung der Entwicklung und des Zerfalls von Umlaufbahnen zu verbessern.

Als die NORAD-Datenbank in den 1970er Jahren öffentlich zugänglich wurde, wandte der NASA-Wissenschaftler Donald J. Kessler die für die Untersuchung des Asteroidengürtels entwickelte Technik auf die Datenbank der bekannten Objekte an. Im Jahr 1978 verfassten Kessler und Burton Cour-Palais gemeinsam das Buch „Collision Frequency of Artificial Satellites: The Creation of a Debris Belt“ (Die Entstehung eines Trümmergürtels), in dem sie aufzeigten, dass der Prozess, der die Entwicklung von Asteroiden steuert, einen ähnlichen Kollisionsprozess im LEO in Jahrzehnten und nicht in Milliarden von Jahren verursachen würde. Sie kamen zu dem Schluss, dass Weltraummüll um das Jahr 2000 herum die Mikrometeoroiden als primäres Ablationsrisiko für Raumfahrzeuge in der Umlaufbahn ablösen würde.

Damals ging man allgemein davon aus, dass der Luftwiderstand der oberen Atmosphäre die Trümmer schneller aus der Umlaufbahn entfernen würde, als sie entstanden sind. Gabbard war sich jedoch bewusst, dass die Anzahl und die Art der Objekte im Weltraum in den NORAD-Daten unterrepräsentiert waren, und er war mit dem Verhalten der Objekte vertraut. In einem Interview kurz nach der Veröffentlichung von Kesslers Arbeit prägte Gabbard den Begriff Kessler-Syndrom, um sich auf die Anhäufung von Trümmern zu beziehen; er wurde weithin verwendet, nachdem er 1982 in einem Popular Science-Artikel auftauchte, der den Aviation-Space Writers Association 1982 National Journalism Award gewann.

FolgestudienBearbeiten

Baker-Nunn-Kameras wurden häufig zur Untersuchung von Weltraummüll eingesetzt.

Der Mangel an harten Daten über Weltraummüll veranlasste eine Reihe von Studien zur besseren Charakterisierung der LEO-Umgebung. Im Oktober 1979 stellte die NASA Kessler Mittel für weitere Studien zur Verfügung. Bei diesen Studien wurden verschiedene Ansätze verfolgt.

Optische Teleskope und kurzwellige Radargeräte wurden zur Messung der Anzahl und Größe von Weltraumobjekten eingesetzt, und diese Messungen zeigten, dass die veröffentlichte Bevölkerungszahl um mindestens 50 % zu niedrig war. Zuvor war man davon ausgegangen, dass die NORAD-Datenbank den Großteil der großen Objekte in der Umlaufbahn erfasst. Es stellte sich heraus, dass einige Objekte (in der Regel militärische US-Raumschiffe) nicht in der NORAD-Liste enthalten waren, und andere wurden nicht aufgenommen, weil sie als unwichtig angesehen wurden. Die Liste konnte nicht ohne weiteres Objekte mit einer Größe von weniger als 20 cm berücksichtigen, insbesondere Trümmer von explodierenden Raketenstufen und mehreren Antisatellitentests aus den 1960er Jahren.

Rückgekehrte Raumfahrzeuge wurden mikroskopisch auf kleine Einschläge untersucht, und geborgene Teile von Skylab und der Apollo-Befehls-/Servicemodule erwiesen sich als löchrig. Alle Untersuchungen ergaben, dass der Trümmerfluss höher war als erwartet und dass Trümmer die Hauptquelle für Mikrometeoroiden und Kollisionen mit orbitalen Trümmern im Weltraum waren. Das Kessler-Syndrom wurde bereits im LEO nachgewiesen.

1978 stellte Kessler fest, dass 42 % der katalogisierten Trümmer das Ergebnis von 19 Ereignissen waren, in erster Linie Explosionen von verbrauchten Raketenstufen (vor allem US-Delta-Raketen). Er fand dies heraus, indem er zunächst die Starts identifizierte, bei denen eine große Anzahl von Objekten in Verbindung mit einer Nutzlast beschrieben wurde, und dann in der Literatur recherchierte, um die beim Start verwendeten Raketen zu bestimmen. Diese Erkenntnis führte 1979 zur Gründung des NASA Orbital Debris Program nach einem Briefing an die NASA-Führungsspitze, das die bis dahin herrschende Meinung widerlegte, dass die meisten unbekannten Trümmer von alten ASAT-Tests stammten und nicht von Explosionen der US-Oberstufenraketen, die sich scheinbar leicht beheben ließen, indem man den ungenutzten Treibstoff der Delta-Oberstufe nach dem Einbringen der Nutzlast abließ. Als sich 1986 herausstellte, dass andere internationale Agenturen möglicherweise mit der gleichen Art von Problemen konfrontiert waren, weitete die NASA ihr Programm auf internationale Agenturen aus; die erste war die Europäische Weltraumorganisation.Eine Reihe anderer Delta-Komponenten in der Umlaufbahn (Delta war ein Arbeitspferd des US-Raumfahrtprogramms) war noch nicht explodiert.

Ein neues Kessler-SyndromBearbeiten

Während der 1980er Jahre führte die US Air Force (USAF) ein experimentelles Programm durch, um festzustellen, was passieren würde, wenn Trümmer mit Satelliten oder anderen Trümmern zusammenstoßen. Die Studie zeigte, dass sich der Prozess von Mikrometeoroid-Kollisionen unterscheidet, wobei große Trümmerteile entstehen, die zu einer Kollisionsgefahr werden.

Im Jahr 1991 veröffentlichte Kessler „Collisional cascading: The limits of population growth in low earth orbit“ mit den besten damals verfügbaren Daten. Unter Berufung auf die Schlussfolgerungen der USAF über die Entstehung von Trümmern schrieb er, dass, obwohl fast alle Trümmerobjekte (wie z.B. Farbkleckse) leicht waren, der größte Teil der Masse aus Trümmern mit einem Gewicht von 1 kg oder schwerer bestand. Diese Masse könnte ein Raumfahrzeug beim Aufprall zerstören und weitere Trümmer im Bereich der kritischen Masse erzeugen. Nach Angaben der National Academy of Sciences:

Ein 1 kg schweres Objekt, das mit 10 km/s auftrifft, ist wahrscheinlich in der Lage, ein 1.000 kg schweres Raumfahrzeug katastrophal zu zerstören, wenn es auf ein Element mit hoher Dichte im Raumfahrzeug trifft. Bei einem solchen Aufprall würden zahlreiche Fragmente entstehen, die größer als 1 kg sind.

Kesslers Analyse unterteilt das Problem in drei Teile. Bei einer hinreichend niedrigen Dichte ist die Hinzufügung von Trümmern durch Einschläge langsamer als ihre Zerfallsrate und das Problem ist nicht signifikant. Darüber hinaus gibt es eine kritische Dichte, bei der zusätzliche Trümmer zu zusätzlichen Kollisionen führen. Bei Dichten jenseits dieser kritischen Masse übersteigt die Produktion den Zerfall, was zu einer kaskadenartigen Kettenreaktion führt, die die Weltraumbevölkerung auf kleine Objekte (mehrere Zentimeter groß) reduziert und die Gefahr von Weltraumaktivitäten erhöht. Diese Kettenreaktion ist als Kessler-Syndrom bekannt.

In einem historischen Überblick von Anfang 2009 fasste Kessler die Situation zusammen:

Aggressive Weltraumaktivitäten ohne angemessene Sicherheitsvorkehrungen könnten die Zeit zwischen Kollisionen erheblich verkürzen und eine untragbare Gefahr für künftige Raumfahrzeuge darstellen. Zu den umweltgefährdendsten Aktivitäten im Weltraum gehören große Konstellationen, wie sie ursprünglich von der Strategic Defense Initiative Mitte der 80er Jahre vorgeschlagen wurden, große Strukturen, wie sie in den späten 70er Jahren für den Bau von Solarkraftwerken in der Erdumlaufbahn erwogen wurden, und die Bekämpfung von Satelliten mit Systemen, die in den letzten 30 Jahren von der UdSSR, den USA und China getestet wurden. Solche aggressiven Aktivitäten könnten eine Situation herbeiführen, in der ein einziger Satellitenausfall zu kaskadenartigen Ausfällen vieler Satelliten in einem Zeitraum führen könnte, der viel kürzer als Jahre ist.