NORAD, Gabbard en KesslerEdit
Willy Ley voorspelde in 1960 dat “na verloop van tijd een aantal van dergelijke per ongeluk te gelukkige schoten zich in de ruimte zal ophopen en zal moeten worden verwijderd wanneer het tijdperk van de bemande ruimtevlucht aanbreekt”. Na de lancering van de Spoetnik 1 in 1957 begon het North American Aerospace Defense Command (NORAD) met het samenstellen van een database (de Space Object Catalog) van alle bekende raketlanceringen en objecten die een baan om de aarde bereikten: satellieten, beschermingsschilden en boosterraketten van de bovenste en onderste trap. NASA publiceerde later gewijzigde versies van de database in een tweeregelige elementenset, en in het begin van de jaren tachtig werden ze opnieuw gepubliceerd door het CelesTrak bulletin board systeem.
De spoorzoekers die de database voedden, waren op de hoogte van andere objecten in een baan om de aarde, waarvan vele het resultaat waren van explosies in de omloopbaan. Sommige waren opzettelijk veroorzaakt tijdens het testen van anti-satellietwapens (ASAT) in de jaren 1960, en andere waren het resultaat van rakettrappen die in een baan om de aarde ontploften doordat restanten stuwstof uitzetten en hun tanks scheurden. Om het opsporen te verbeteren, hield NORAD medewerker John Gabbard een aparte database bij. Door de explosies te bestuderen, ontwikkelde Gabbard een techniek voor het voorspellen van de omloopbanen van hun producten, en Gabbard-diagrammen (of plots) worden nu algemeen gebruikt. Deze studies werden gebruikt om de modellering van baanevolutie en -verval te verbeteren.
Toen de NORAD-database in de jaren 70 voor het publiek beschikbaar kwam, paste NASA-wetenschapper Donald J. Kessler de techniek die was ontwikkeld voor de asteroïdengordelstudie toe op de database van bekende objecten. In 1978 schreven Kessler en Burton Cour-Palais mee aan “Collision Frequency of Artificial Satellites: The Creation of a Debris Belt”, waarin zij aantoonden dat het proces dat de evolutie van asteroïden beheerst, een soortgelijk botsingsproces in LEO zou veroorzaken in tientallen in plaats van miljarden jaren. Zij concludeerden dat rond 2000 ruimtepuin micrometeoroïden zou overtreffen als het primaire ablatieve risico voor ruimtevaartuigen in een baan om de aarde.
In die tijd werd algemeen gedacht dat de luchtweerstand van de bovenste atmosfeer puin sneller zou de-orbiteren dan het werd gecreëerd. Gabbard was zich er echter van bewust dat het aantal en type objecten in de ruimte ondervertegenwoordigd waren in de NORAD-gegevens en was bekend met het gedrag ervan. In een interview kort na de publicatie van Kessler’s paper, bedacht Gabbard de term Kessler-syndroom om te verwijzen naar de ophoping van puin; het werd algemeen gebruikt nadat het verscheen in een artikel in Popular Science uit 1982, dat de Aviation-Space Writers Association 1982 National Journalism Award won.
VervolgstudiesEdit
Het gebrek aan harde gegevens over ruimtepuin zette aan tot een reeks studies om de LEO omgeving beter te karakteriseren. In oktober 1979 gaf NASA Kessler financiële middelen voor verdere studies. Verschillende benaderingen werden gebruikt door deze studies.
Optische telescopen en korte-golflengte radar werden gebruikt om het aantal en de grootte van ruimteobjecten te meten, en deze metingen toonden aan dat de gepubliceerde populatietelling ten minste 50% te laag was. Voordien werd aangenomen dat de NORAD-databank het merendeel van de grote objecten in een baan om de aarde omvatte. Sommige objecten (meestal Amerikaanse militaire ruimtevaartuigen) bleken niet in de NORAD-lijst te zijn opgenomen, en andere werden niet opgenomen omdat zij als onbelangrijk werden beschouwd. De lijst kon niet gemakkelijk rekening houden met objecten van minder dan 20 cm (7.9 in) in omvang – met name puin van exploderende rakettrappen en verscheidene anti-satellietproeven uit de jaren 1960.
Teruggekeerde ruimtevaartuigen werden microscopisch onderzocht op kleine inslagen, en secties van Skylab en de Apollo Command/Service Module die werden teruggevonden bleken putjes te vertonen. Elk onderzoek wees uit dat de puinflux groter was dan verwacht en dat puin de voornaamste bron was van micrometeoroïden en botsingen tussen ruimtepuin en ruimtepuin. LEO toonde al het Kessler-syndroom aan.
In 1978 ontdekte Kessler dat 42 procent van het gecatalogiseerde puin het resultaat was van 19 gebeurtenissen, voornamelijk explosies van gebruikte rakettrappen (vooral US Delta-raketten). Hij ontdekte dit door eerst de lanceringen te identificeren die werden beschreven als lanceringen met een groot aantal objecten in verband met een nuttige lading, en vervolgens de literatuur te bestuderen om te bepalen welke raketten bij de lancering werden gebruikt. In 1979 resulteerde deze bevinding in de oprichting van het NASA Orbital Debris Program na een briefing aan het hogere management van de NASA, waarbij de tot dan toe heersende overtuiging werd ontkracht dat de meeste onbekende brokstukken afkomstig waren van oude ASAT-tests, niet van Amerikaanse raketexplosies in de bovenste trap, die schijnbaar gemakkelijk konden worden beheerd door de ongebruikte brandstof uit de Delta-raket in de bovenste trap te verwijderen na de injectie van de nuttige lading. Vanaf 1986, toen werd ontdekt dat andere internationale agentschappen mogelijk hetzelfde soort probleem ondervonden, breidde de NASA haar programma uit met internationale agentschappen, als eerste met het Europees Ruimte-Agentschap.:2 Een aantal andere Delta-onderdelen in een baan om de aarde (Delta was een werkpaard van het Amerikaanse ruimtevaartprogramma) was nog niet geëxplodeerd.
Een nieuw syndroom van KesslerEdit
In de jaren tachtig voerde de Amerikaanse luchtmacht (USAF) een experimenteel programma uit om te bepalen wat er zou gebeuren als brokstukken in botsing kwamen met satellieten of andere brokstukken. De studie toonde aan dat het proces verschilde van botsingen met micrometeoroïden, waarbij grote brokken puin zouden ontstaan die botsingsbedreigingen zouden worden.
In 1991 publiceerde Kessler “Collisional cascading: The limits of population growth in low Earth orbit” met de beste gegevens die toen beschikbaar waren. Onder verwijzing naar de conclusies van de USAF over het ontstaan van brokstukken, schreef hij dat hoewel bijna alle brokstukken (zoals verfvlekjes) licht van gewicht waren, het grootste deel van de massa in brokstukken van ongeveer 1 kg (2,2 lb) of zwaarder zat. Deze massa zou een ruimteschip bij de inslag kunnen vernietigen, waardoor meer brokstukken in het kritische-massagebied zouden ontstaan. Volgens de National Academy of Sciences:
Een object van 1 kg dat bijvoorbeeld met een snelheid van 10 km/s inslaat, is waarschijnlijk in staat om een ruimteschip van 1.000 kg catastrofaal te breken als het een element met een hoge dichtheid in het ruimteschip raakt. Bij een dergelijke breuk zouden talrijke fragmenten ontstaan die groter zijn dan 1 kg.
Kessler’s analyse verdeelde het probleem in drie delen. Bij een dichtheid die laag genoeg is, is de toevoeging van brokstukken door inslagen langzamer dan hun ontbindingssnelheid en is het probleem niet significant. Daarboven is er een kritische dichtheid, waarbij extra brokstukken tot extra botsingen leiden. Bij dichtheden boven deze kritische massa is de productie groter dan het verval, wat leidt tot een kettingreactie waardoor de populatie in een baan om de aarde wordt gereduceerd tot kleine objecten (enkele centimeters groot) en het gevaar van ruimteactiviteit toeneemt. Deze kettingreactie staat bekend als het syndroom van Kessler.
In een historisch overzicht van begin 2009 vatte Kessler de situatie als volgt samen:
Angressieve ruimtevaartactiviteiten zonder adequate voorzorgsmaatregelen kunnen de tijd tussen botsingen aanzienlijk verkorten en een onduldbaar gevaar opleveren voor toekomstige ruimtevaartuigen. Tot de activiteiten in de ruimte die vanuit milieuoogpunt het gevaarlijkst zijn, behoren grote constellaties zoals die welke aanvankelijk in het kader van het Strategisch Defensie-initiatief halverwege de jaren tachtig werden voorgesteld, grote structuren zoals die welke eind jaren zeventig werden overwogen voor de bouw van zonne-energiecentrales in een baan om de aarde, en anti-satellietoorlogvoering met systemen die de afgelopen dertig jaar door de USSR, de VS en China zijn getest. Dergelijke agressieve activiteiten zouden een situatie kunnen doen ontstaan waarin het uitvallen van één enkele satelliet kan leiden tot cascade-uitvallen van een groot aantal satellieten in een periode die veel korter is dan jaren.