NORAD, Gabbard ja KesslerEdit
Willy Ley ennusti vuonna 1960, että ”Ajan mittaan avaruuteen kertyy joukko tällaisia vahingossa liian onnekkaita laukauksia, jotka on poistettava, kun miehitettyjen avaruuslentojen aikakausi koittaa”. Sputnik 1:n laukaisun jälkeen vuonna 1957 Pohjois-Amerikan ilmailu- ja avaruuspuolustuksen komentokeskus (North American Aerospace Defense Command, NORAD) alkoi koota tietokantaa (Space Object Catalog) kaikista tiedossa olevista rakettilaukaisuista ja kiertoradalle päässeistä kohteista: satelliiteista, suojakilvistä sekä ylä- ja alavaiheen kantoraketeista. NASA julkaisi myöhemmin tietokannasta muutetut versiot kaksirivisenä elementtisarjana, ja 1980-luvun alkupuolella CelesTrak-ilmoitustaulujärjestelmä julkaisi ne uudelleen.
Tietokantaan syötetyt seurantalaitteet olivat tietoisia myös muista kiertoradalla olleista objekteista, joista moni oli kiertoradalla tapahtuneiden räjähdysten tulos. Osa oli aiheutettu tahallisesti 1960-luvun ASAT-aseiden (anti-satellite weapon) testauksen aikana, ja osa oli seurausta siitä, että rakettivaiheet räjähtivät kiertoradalla, kun jäljelle jäänyt polttoaine laajeni ja rikkoi niiden säiliöt. Seurannan parantamiseksi NORADin työntekijä John Gabbard piti erillistä tietokantaa. Räjähdyksiä tutkiessaan Gabbard kehitti tekniikan, jolla voitiin ennustaa niiden tuotteiden kiertoratoja, ja Gabbardin diagrammeja (tai piirroksia) käytetään nykyään laajalti. Näiden tutkimusten avulla parannettiin kiertoratojen kehittymisen ja hajoamisen mallintamista.
Kun NORADin tietokanta tuli julkisesti saataville 1970-luvulla, NASAn tutkija Donald J. Kessler sovelsi asteroidivyöhyketutkimusta varten kehitettyä tekniikkaa tunnettujen kohteiden tietokantaan. Vuonna 1978 Kessler ja Burton Cour-Palais kirjoittivat yhdessä ”Collision Frequency of Artificial Satellites: The Creation of a Debris Belt”, jossa osoitettiin, että asteroidien evoluutiota ohjaava prosessi aiheuttaisi vastaavanlaisen törmäysprosessin LEO:ssa pikemminkin vuosikymmenissä kuin miljardeissa vuosissa. He päättelivät, että noin vuoteen 2000 mennessä avaruusromu ohittaisi mikrometeoriitit kiertoradalla liikkuvien avaruusalusten pääasiallisena törmäysriskin aiheuttajana.
Tuolloin ajateltiin laajalti, että yläilmakehän vetovoima poistaisi avaruusromun nopeammin kuin se syntyisi. Gabbard oli kuitenkin tietoinen siitä, että avaruudessa olevien esineiden määrä ja tyyppi olivat alirepresentoituja NORADin tiedoissa, ja hän tunsi sen käyttäytymisen. Haastattelussa pian Kesslerin artikkelin julkaisemisen jälkeen Gabbard keksi termin Kesslerin oireyhtymä viittaamaan roskien kasaantumiseen; sitä alettiin käyttää laajalti sen jälkeen, kun se ilmestyi vuonna 1982 Popular Science -artikkelissa, joka voitti Aviation-Space Writers Associationin vuoden 1982 kansallisen journalistipalkinnon.
JatkotutkimuksetEdit
Avaruusromua koskevien kovien tietojen puute sai aikaan sarjan tutkimuksia, joiden tarkoituksena oli luonnehtia LEO-ympäristöä paremmin. Lokakuussa 1979 NASA myönsi Kesslerille rahoitusta lisätutkimuksia varten. Näissä tutkimuksissa käytettiin useita lähestymistapoja.
Avaruusobjektien lukumäärän ja koon mittaamiseen käytettiin optisia teleskooppeja ja lyhyen aallonpituuden tutkia, ja nämä mittaukset osoittivat, että julkaistu populaatioluku oli vähintään 50 prosenttia liian alhainen. Tätä ennen uskottiin, että NORADin tietokanta kattoi suurimman osan kiertoradalla olevista suurista kohteista. Joitakin kohteita (tyypillisesti Yhdysvaltain armeijan avaruusaluksia) havaittiin jäävän pois NORADin luettelosta, ja toisia ei otettu mukaan, koska niitä pidettiin merkityksettöminä. Luettelossa ei voitu helposti ottaa huomioon alle 20 cm:n (7,9 tuuman) kokoisia kohteita – erityisesti räjähtäneiden rakettivaiheiden ja useiden 1960-luvun satelliittitornien torjuntakokeiden roskia.
Palautetut avaruusalukset tutkittiin mikroskooppisesti pienten iskujen varalta, ja talteen otettujen Skylabin ja Apollon komento-/palvelumoduulin osien todettiin olevan kuoppaisia. Jokainen tutkimus osoitti, että roskavirta oli odotettua suurempi ja että roskat olivat avaruudessa tapahtuvien mikrometeoroidien ja kiertoratajätteen törmäysten ensisijainen lähde. LEO osoitti jo Kesslerin syndrooman.
Vuonna 1978 Kessler havaitsi, että 42 prosenttia luetteloidusta romusta oli seurausta 19 tapahtumasta, pääasiassa käytettyjen rakettivaiheiden räjähdyksistä (erityisesti USA:n Delta-raketit). Hän havaitsi tämän tunnistamalla ensin ne laukaisut, joiden kuvailtiin sisältävän suuren määrän hyötykuormaan liittyviä esineitä, ja tutkimalla sitten kirjallisuutta selvittääkseen laukaisussa käytetyt raketit. Vuonna 1979 tämä havainto johti NASA:n Orbital Debris Program -ohjelman perustamiseen NASA:n ylimmälle johdolle pidetyn tiedotustilaisuuden jälkeen, jolloin kumottiin aiemmin vallinnut käsitys, jonka mukaan suurin osa tuntemattomasta romusta oli peräisin vanhoista ASAT-kokeista eikä yhdysvaltalaisten rakettien ylävaiheen räjähdyksistä, jotka voitaisiin näennäisesti helposti hoitaa tyhjentämällä käyttämätön polttoaine Delta-raketin ylävaiheesta hyötykuorman ruiskutuksen jälkeen. Kun vuonna 1986 havaittiin, että myös muilla kansainvälisillä virastoilla oli mahdollisesti samantyyppisiä ongelmia, NASA laajensi ohjelmaansa sisällyttämällä siihen kansainvälisiä virastoja, joista ensimmäinen oli Euroopan avaruusjärjestö.:2 Useat muut kiertoradalla olevat Deltan komponentit (Delta oli Yhdysvaltain avaruusohjelman työjuhta) eivät olleet vielä räjähtäneet.
Uusi Kesslerin oireyhtymäMuutos
Yhdysvaltojen ilmavoimat (US Air Force, USAF) toteutti 1980-luvulla kokeiluohjelman, jonka tarkoituksena oli selvittää, mitä tapahtuisi, jos avaruusromu törmäisi satelliitteihin tai muuhun romuun. Tutkimus osoitti, että prosessi poikkesi mikrometeoroidien törmäyksistä, jolloin syntyisi suuria roskakappaleita, joista tulisi törmäysuhkia.
Vuonna 1991 Kessler julkaisi ”Collisional cascading: The limits of population growth in low Earth orbit” parhaiden tuolloin saatavilla olleiden tietojen perusteella. Viitaten USAF:n johtopäätöksiin roskien synnystä hän kirjoitti, että vaikka lähes kaikki roskakappaleet (kuten maalitahrat) olivat kevyitä, suurin osa massasta oli noin 1 kg:n (2,2 lb) tai sitä raskaammissa roskissa. Tämä massa voisi tuhota avaruusaluksen törmäyksessä, jolloin kriittisen massan alueelle syntyisi lisää romua. National Academy of Sciences:
National Academy of Sciencesin mukaan:
10 km/s nopeudella törmäävä 1 kg:n painoinen kappale kykenee luultavasti hajottamaan katastrofaalisesti 1000 kg:n painoisen avaruusaluksen, jos se törmää avaruusaluksen suuritiheyksiseen elementtiin. Tällaisessa hajoamisessa syntyisi lukuisia yli 1 kg:n painoisia sirpaleita.
Kesslerin analyysi jakoi ongelman kolmeen osaan. Riittävän pienellä tiheydellä törmäysten aiheuttama roskien lisäys on hitaampaa kuin niiden hajoamisnopeus, eikä ongelma ole merkittävä. Sen tuolla puolen on kriittinen tiheys, jossa roskien lisäys johtaa ylimääräisiin törmäyksiin. Tämän kriittisen massan ylittävillä tiheyksillä tuotanto ylittää hajoamisen, mikä johtaa kaskadimaiseen ketjureaktioon, joka supistaa kiertoratapopulaation pieniksi kappaleiksi (joidenkin senttimetrien kokoisiksi) ja lisää avaruustoiminnan vaarallisuutta. Tämä ketjureaktio tunnetaan nimellä Kesslerin oireyhtymä.
Kessler kiteytti alkuvuoden 2009 historiallisessa katsauksessaan tilanteen:
Aggressiivinen avaruustoiminta ilman riittäviä turvatoimia voi lyhentää merkittävästi törmäysten välistä aikaa ja aiheuttaa sietämättömän vaaran tuleville avaruusaluksille. Joitakin ympäristölle vaarallisimpia toimintoja avaruudessa ovat suuret tähtikuviot, jollaisia alun perin ehdotettiin strategisessa puolustusaloitteessa 1980-luvun puolivälissä, suuret rakenteet, jollaisia harkittiin 1970-luvun lopulla aurinkovoimalaitosten rakentamiseksi Maan kiertoradalle, ja satelliittien vastainen sodankäynti, jossa käytetään järjestelmiä, joita Neuvostoliitto, Yhdysvallat ja Kiina ovat testanneet viimeisten 30 vuoden aikana. Tällaiset aggressiiviset toimet voivat luoda tilanteen, jossa yksittäisen satelliitin vikaantuminen voi johtaa monien satelliittien kaskadimaiseen vikaantumiseen paljon vuosia lyhyemmässä ajassa.