NORAD, Gabbard e KesslerEdit
Willy Ley predisse nel 1960 che “Col tempo, un certo numero di tali colpi accidentalmente troppo fortunati si accumuleranno nello spazio e dovranno essere rimossi quando arriverà l’era del volo spaziale con equipaggio”. Dopo il lancio dello Sputnik 1 nel 1957, il North American Aerospace Defense Command (NORAD) iniziò a compilare un database (lo Space Object Catalog) di tutti i lanci di razzi conosciuti e degli oggetti che raggiungevano l’orbita: satelliti, scudi protettivi e razzi booster a stadio superiore e inferiore. La NASA pubblicò in seguito versioni modificate del database in set di elementi a due righe, e durante i primi anni ’80 il sistema di bacheca CelesTrak le ripubblicò.
I tracker che alimentavano il database erano a conoscenza di altri oggetti in orbita, molti dei quali erano il risultato di esplosioni in orbita. Alcuni erano stati causati deliberatamente durante i test delle armi antisatellite (ASAT) degli anni ’60, e altri erano il risultato di stadi di razzi che esplodevano in orbita quando il propellente residuo si espandeva e rompeva i loro serbatoi. Per migliorare la tracciabilità, il dipendente del NORAD John Gabbard ha tenuto un database separato. Studiando le esplosioni, Gabbard sviluppò una tecnica per prevedere i percorsi orbitali dei loro prodotti, e i diagrammi (o trame) di Gabbard sono ora ampiamente utilizzati. Questi studi sono stati utilizzati per migliorare la modellazione dell’evoluzione e del decadimento orbitale.
Quando il database del NORAD divenne disponibile al pubblico negli anni ’70, lo scienziato della NASA Donald J. Kessler applicò la tecnica sviluppata per lo studio della cintura di asteroidi al database degli oggetti conosciuti. Nel 1978, Kessler e Burton Cour-Palais sono stati co-autori di “Collision Frequency of Artificial Satellites: The Creation of a Debris Belt”, dimostrando che il processo che controlla l’evoluzione degli asteroidi avrebbe causato un processo di collisione simile in LEO in decenni piuttosto che in miliardi di anni. Hanno concluso che entro il 2000 circa, i detriti spaziali avrebbero superato i micrometeoriti come rischio ablativo primario per i veicoli spaziali in orbita.
All’epoca, era opinione diffusa che la resistenza dell’atmosfera superiore avrebbe de-orbitato i detriti più velocemente di quanto fossero stati creati. Tuttavia, Gabbard era consapevole che il numero e il tipo di oggetti nello spazio erano sottorappresentati nei dati del NORAD e ne conosceva il comportamento. In un’intervista poco dopo la pubblicazione dell’articolo di Kessler, Gabbard coniò il termine sindrome di Kessler per riferirsi all’accumulo di detriti; divenne ampiamente usato dopo la sua apparizione in un articolo di Popular Science del 1982, che vinse l’Aviation-Space Writers Association 1982 National Journalism Award.
Studi successiviModifica
La mancanza di dati concreti sui detriti spaziali spinse una serie di studi per caratterizzare meglio l’ambiente LEO. Nell’ottobre 1979, la NASA fornì a Kessler un finanziamento per ulteriori studi. Questi studi hanno utilizzato diversi approcci.
Sono stati utilizzati telescopi ottici e radar a corta lunghezza d’onda per misurare il numero e le dimensioni degli oggetti spaziali, e queste misurazioni hanno dimostrato che il conteggio pubblicato della popolazione era almeno il 50% troppo basso. Prima di questo, si credeva che il database del NORAD rappresentasse la maggior parte dei grandi oggetti in orbita. Alcuni oggetti (tipicamente, veicoli spaziali militari statunitensi) sono stati trovati omessi dalla lista del NORAD, e altri non sono stati inclusi perché considerati poco importanti. La lista non poteva facilmente tenere conto degli oggetti di dimensioni inferiori ai 20 cm (7,9 pollici) – in particolare, i detriti provenienti da stadi di razzi esplosi e diversi test antisatellite degli anni ’60.
I veicoli spaziali rientrati sono stati esaminati al microscopio per piccoli impatti, e le sezioni dello Skylab e del modulo di comando/servizio dell’Apollo che sono state recuperate sono state trovate bucherellate. Ogni studio ha indicato che il flusso di detriti era più alto del previsto e che i detriti erano la fonte primaria di micrometeoriti e collisioni di detriti orbitali nello spazio. LEO ha già dimostrato la sindrome di Kessler.
Nel 1978, Kessler ha scoperto che il 42% dei detriti catalogati era il risultato di 19 eventi, principalmente esplosioni di stadi di razzi esauriti (soprattutto razzi Delta statunitensi). Ha scoperto questo identificando prima quei lanci che sono stati descritti come aventi un gran numero di oggetti associati ad un carico utile, poi ricercando la letteratura per determinare i razzi utilizzati nel lancio. Nel 1979, questa scoperta ha portato all’istituzione del Programma Detriti Orbitali della NASA dopo un briefing al senior management della NASA, ribaltando la convinzione precedentemente sostenuta che la maggior parte dei detriti sconosciuti provenissero da vecchi test ASAT, non da esplosioni di razzi statunitensi dello stadio superiore che potrebbero apparentemente essere facilmente gestiti esaurendo il carburante inutilizzato dal razzo Delta dello stadio superiore dopo l’iniezione del carico utile. A partire dal 1986, quando si è scoperto che altre agenzie internazionali stavano probabilmente sperimentando lo stesso tipo di problema, la NASA ha ampliato il suo programma per includere agenzie internazionali, la prima delle quali è stata l’Agenzia Spaziale Europea.:2 Un certo numero di altri componenti Delta in orbita (Delta era un cavallo di battaglia del programma spaziale statunitense) non erano ancora esplosi.
Una nuova sindrome di KesslerModifica
Durante gli anni ’80, la US Air Force (USAF) condusse un programma sperimentale per determinare cosa sarebbe successo se i detriti si fossero scontrati con satelliti o altri detriti. Lo studio dimostrò che il processo era diverso dalle collisioni di micrometeoriti, con la creazione di grandi pezzi di detriti che sarebbero diventati minacce di collisione.
Nel 1991, Kessler pubblicò “Collisional cascading: The limits of population growth in low Earth orbit” con i migliori dati allora disponibili. Citando le conclusioni dell’USAF sulla creazione di detriti, scrisse che sebbene quasi tutti gli oggetti di detriti (come le macchie di vernice) fossero leggeri, la maggior parte della massa era in detriti di circa 1 kg o più pesanti. Questa massa potrebbe distruggere un veicolo spaziale all’impatto, creando più detriti nella zona di massa critica. Secondo la National Academy of Sciences:
Un oggetto di 1 kg che impatta a 10 km/s, per esempio, è probabilmente in grado di rompere catastroficamente un veicolo spaziale di 1.000 kg se colpisce un elemento ad alta densità nel veicolo spaziale. In una tale rottura, si creerebbero numerosi frammenti più grandi di 1 kg.
L’analisi di Kessler divide il problema in tre parti. Con una densità abbastanza bassa, l’aggiunta di detriti dagli impatti è più lenta del loro tasso di decadimento e il problema non è significativo. Oltre c’è una densità critica, dove i detriti aggiuntivi portano a ulteriori collisioni. A densità oltre questa massa critica la produzione supera il decadimento, portando ad una reazione a catena a cascata che riduce la popolazione orbitante a piccoli oggetti (diversi centimetri di dimensione) e aumenta il pericolo dell’attività spaziale. Questa reazione a catena è nota come la sindrome di Kessler.
In una panoramica storica dell’inizio del 2009, Kessler ha riassunto la situazione:
Attività spaziali aggressive senza adeguate salvaguardie potrebbero ridurre significativamente il tempo tra le collisioni e produrre un pericolo intollerabile per i futuri veicoli spaziali. Alcune delle attività più pericolose per l’ambiente nello spazio includono grandi costellazioni come quelle inizialmente proposte dalla Strategic Defense Initiative a metà degli anni ’80, grandi strutture come quelle considerate alla fine degli anni ’70 per la costruzione di centrali solari in orbita terrestre, e la guerra antisatellite con sistemi testati da URSS, USA e Cina negli ultimi 30 anni. Tali attività aggressive potrebbero creare una situazione in cui un singolo fallimento del satellite potrebbe portare a guasti a cascata di molti satelliti in un periodo molto più breve di anni.