NORAD, Gabbard és KesslerSzerkesztés
Willy Ley 1960-ban megjósolta, hogy “Idővel számos ilyen véletlenül túl szerencsés lövés fog felhalmozódni az űrben, és el kell majd távolítani őket, amikor eljön az emberes űrrepülés korszaka”. A Szputnyik 1 1957-es fellövése után az Észak-amerikai Űrvédelmi Parancsnokság (NORAD) elkezdte összeállítani az összes ismert rakétaindítás és a Föld körüli pályára jutott objektum: műholdak, védőpajzsok és felső- és alsófokozatú hordozórakéták adatbázisát (az Űrtárgy-katalógust). A NASA később közzétette az adatbázis módosított változatait kétsoros elemkészletben, majd az 1980-as évek elején a CelesTrak bulletin board rendszer újra közzétette azokat.
Az adatbázist tápláló nyomkövetők más, pályán lévő objektumokról is tudtak, amelyek közül sok pályán belüli robbanás eredménye volt. Néhányat szándékosan okoztak az 1960-as évekbeli műholdellenes fegyverek (ASAT) tesztelése során, mások pedig a pályán felrobbanó rakétafokozatok következményei voltak, amikor a maradék hajtóanyag kitágult és megrepedt a tartályuk. A jobb nyomon követés érdekében a NORAD alkalmazottja, John Gabbard külön adatbázist vezetett. A robbanásokat tanulmányozva Gabbard kifejlesztett egy technikát termékeik pályájának előrejelzésére, és a Gabbard-diagramok (vagy -diagramok) ma már széles körben használatosak. Ezeket a tanulmányokat a pályafejlődés és a bomlás modellezésének javítására használták.
Amikor a NORAD adatbázisa az 1970-es években nyilvánosan hozzáférhetővé vált, Donald J. Kessler, a NASA tudósa az aszteroidaöv tanulmányozásához kifejlesztett technikát alkalmazta az ismert objektumok adatbázisára. 1978-ban Kessler és Burton Cour-Palais közösen írták a “Collision Frequency of Artificial Satellites: The Creation of a Debris Belt” című munkájukban, amelyben kimutatták, hogy az aszteroidák fejlődését irányító folyamat nem évmilliárdok, hanem évtizedek alatt okozna hasonló ütközési folyamatot a LEO-ban. Arra a következtetésre jutottak, hogy körülbelül 2000-re az űrszemét megelőzi a mikrometeoroidákat, mint a pályán keringő űrhajók elsődleges ablatív kockázata.
Akkoriban széles körben úgy gondolták, hogy a felső légkörből származó légellenállás gyorsabban fogja a törmeléket a pályájáról eltávolítani, mint ahogy az létrejön. Gabbard azonban tisztában volt azzal, hogy az űrben lévő objektumok száma és típusa alulreprezentált a NORAD adataiban, és ismerte a viselkedését. Egy interjúban nem sokkal Kessler tanulmányának megjelenése után Gabbard alkotta meg a Kessler-szindróma kifejezést a törmelék felhalmozódására; a kifejezés széles körben elterjedt, miután megjelent egy 1982-es Popular Science cikkben, amely elnyerte az Aviation-Space Writers Association 1982 National Journalism Award-ot.
Későbbi tanulmányokSzerkesztés
Az űrszemétre vonatkozó kemény adatok hiánya egy sor tanulmányt indított el a LEO környezet jobb jellemzésére. 1979 októberében a NASA további tanulmányokhoz nyújtott támogatást Kesslernek. E tanulmányok többféle megközelítést alkalmaztak.
Optikai távcsöveket és rövid hullámhosszú radarokat használtak az űrobjektumok számának és méretének mérésére, és ezek a mérések kimutatták, hogy a közzétett populációszám legalább 50%-kal túl alacsony. Ezt megelőzően úgy vélték, hogy a NORAD adatbázisa a Föld körüli pályán lévő nagyméretű objektumok többségét tartalmazza. Kiderült, hogy egyes objektumok (jellemzően amerikai katonai űrhajók) kimaradtak a NORAD listájából, másokat pedig azért nem vettek fel, mert jelentéktelennek tartották őket. A lista nem tudta könnyen figyelembe venni a 20 cm alatti méretű objektumokat – különösen a felrobbanó rakétafokozatokból származó törmelékeket és számos 1960-as évekbeli anti-szatellit tesztet.
A visszatért űrhajókat mikroszkóposan megvizsgálták kisebb becsapódások szempontjából, és a Skylab és az Apollo parancsnoki/szolgálati modul visszanyert részeit lyukacsosnak találták. Mindegyik vizsgálat azt mutatta, hogy a törmelékáramlás nagyobb volt a vártnál, és a törmelék volt a mikrometeoroidák és a pályatörmelék ütközések elsődleges forrása az űrben. A LEO már bizonyította a Kessler-szindrómát.
1978-ban Kessler megállapította, hogy a katalogizált törmelék 42 százaléka 19 esemény, elsősorban a kiégett rakétafokozatok (különösen az amerikai Delta rakéták) robbanásaiból származik. Ezt úgy fedezte fel, hogy először azonosította azokat a kilövéseket, amelyekről leírták, hogy nagyszámú, hasznos teherhez kapcsolódó tárgyat tartalmaznak, majd a szakirodalomban kutatva meghatározta a kilövéshez használt rakétákat. 1979-ben ez a felfedezés vezetett a NASA Orbital Debris Programjának létrehozásához, miután a NASA felső vezetésének tartott tájékoztatót, megdöntve azt a korábban elfogadott nézetet, hogy a legtöbb ismeretlen törmelék régi ASAT-kísérletekből származik, nem pedig amerikai felsőfokozatú rakéták robbanásaiból, amelyek látszólag könnyen kezelhetők a hasznos teher befecskendezését követően a Delta rakéta felsőfokozatából a fel nem használt üzemanyag kimerítésével. 1986-tól kezdődően, amikor kiderült, hogy más nemzetközi ügynökségek is hasonló típusú problémát tapasztalhattak, a NASA kiterjesztette programját a nemzetközi ügynökségekre, elsőként az Európai Űrügynökségre.:2 Számos más, pályára állított Delta-alkatrész (a Delta az amerikai űrprogram egyik munkagépe volt) még nem robbant fel.
Egy új Kessler-szindrómaSzerkesztés
Az 1980-as években az amerikai légierő (USAF) kísérleti programot folytatott annak megállapítására, hogy mi történik, ha a törmelék műholdakkal vagy más törmelékkel ütközik. A vizsgálat kimutatta, hogy a folyamat különbözik a mikrometeoroidák ütközésétől, nagy törmelékdarabok keletkeznek, amelyek ütközésveszélyessé válnak.
1991-ben Kessler publikálta a “Collisional cascading: The limits of population growth in low Earth orbit” című könyvében az akkor rendelkezésre álló legjobb adatokkal. Az USAF-nek a törmelék keletkezésével kapcsolatos következtetéseit idézve azt írta, hogy bár majdnem minden törmelékobjektum (például festékpöttyök) könnyű, a tömeg nagy részét az 1 kg körüli vagy annál nehezebb törmelék teszi ki. Ez a tömeg a becsapódáskor megsemmisíthet egy űrhajót, még több törmeléket hozva létre a kritikus tömegű területen. A Nemzeti Tudományos Akadémia szerint:
Egy 10 km/s sebességgel becsapódó 1 kg-os tárgy például valószínűleg képes katasztrofálisan széttörni egy 1000 kg-os űrhajót, ha az űrhajó egy nagy sűrűségű elemébe csapódik. Egy ilyen törés során számos, 1 kg-nál nagyobb szilánk keletkezne.
Kessler elemzése három részre osztotta a problémát. Elég kis sűrűség esetén a törmelékek ütközések általi hozzáadása lassabb, mint azok bomlási sebessége, és a probléma nem jelentős. Ezen túl van egy kritikus sűrűség, ahol a további törmelék további ütközésekhez vezet. E kritikus tömeget meghaladó sűrűségnél a termelés meghaladja a bomlást, ami kaszkádszerű láncreakcióhoz vezet, amely a pályán keringő populációt kis méretű (néhány centiméteres) objektumokra csökkenti, és növeli az űrtevékenység veszélyességét. Ezt a láncreakciót Kessler-szindrómának nevezik.
Kessler egy 2009 elején megjelent történelmi áttekintésében így foglalta össze a helyzetet:
A megfelelő biztosítékok nélküli agresszív űrtevékenység jelentősen lerövidítheti az ütközések közötti időt, és elviselhetetlen veszélyt jelenthet a jövőbeli űreszközökre. A legkörnyezetveszélyesebb űrtevékenységek közé tartoznak az olyan nagy konstellációk, mint amilyeneket eredetileg a Stratégiai Védelmi Kezdeményezés javasolt az 1980-as évek közepén, az olyan nagy szerkezetek, mint amilyeneket az 1970-es évek végén fontolgattak naperőművek építésére a Föld körüli pályán, és a műholdak elleni hadviselés a Szovjetunió, az USA és Kína által az elmúlt 30 évben tesztelt rendszerek alkalmazásával. Az ilyen agresszív tevékenységek olyan helyzetet teremthetnek, amelyben egyetlen műhold meghibásodása éveknél jóval rövidebb idő alatt számos műhold kaszkádszerű meghibásodásához vezethet.