NORAD, Gabbard și KesslerEdit
Willy Ley a prezis în 1960 că „În timp, un număr de astfel de împușcături accidental prea norocoase se vor acumula în spațiu și vor trebui îndepărtate atunci când va sosi epoca zborurilor spațiale cu echipaj uman”. După lansarea lui Sputnik 1 în 1957, Comandamentul nord-american de apărare aerospațială (NORAD) a început să întocmească o bază de date (Catalogul obiectelor spațiale) cu toate lansările de rachete cunoscute și obiectele care au ajuns pe orbită: sateliți, scuturi de protecție și rachete de propulsie cu etapele superioare și inferioare. Ulterior, NASA a publicat versiuni modificate ale bazei de date în set de elemente pe două linii, iar la începutul anilor 1980, sistemul de buletin CelesTrak le-a republicat.
Cei care au alimentat baza de date cunoșteau și alte obiecte aflate pe orbită, multe dintre acestea fiind rezultatul unor explozii pe orbită. Unele au fost provocate în mod deliberat în timpul testelor de testare a armelor antisatelit (ASAT) din anii 1960, iar altele au fost rezultatul etajelor de rachetă care au explodat pe orbită, deoarece resturile de propulsoare s-au expandat și și-au rupt rezervoarele. Pentru a îmbunătăți urmărirea, John Gabbard, angajat al NORAD, a păstrat o bază de date separată. Studiind exploziile, Gabbard a dezvoltat o tehnică de predicție a traiectoriilor orbitale ale produselor acestora, iar diagramele (sau diagramele) Gabbard sunt acum utilizate pe scară largă. Aceste studii au fost folosite pentru a îmbunătăți modelarea evoluției și decăderii orbitale.
Când baza de date NORAD a devenit publică în anii 1970, omul de știință de la NASA, Donald J. Kessler, a aplicat tehnica dezvoltată pentru studiul centurii de asteroizi la baza de date a obiectelor cunoscute. În 1978, Kessler și Burton Cour-Palais au fost coautori ai lucrării „Collision Frequency of Artificial Satellites: The Creation of a Debris Belt”, demonstrând că procesul care controlează evoluția asteroizilor ar provoca un proces de coliziune similar în LEO în decenii și nu în miliarde de ani. Aceștia au concluzionat că, până în jurul anului 2000, resturile spațiale vor depăși micrometeoroizii ca principal risc ablativ pentru navele spațiale aflate pe orbită.
La acea vreme, se credea în general că rezistența din atmosfera superioară va scoate de pe orbită resturile mai repede decât au fost create. Cu toate acestea, Gabbard era conștient de faptul că numărul și tipul de obiecte din spațiu erau sub-reprezentate în datele NORAD și era familiarizat cu comportamentul acestuia. Într-un interviu acordat la scurt timp după publicarea lucrării lui Kessler, Gabbard a inventat termenul „sindromul Kessler” pentru a se referi la acumularea de resturi; acesta a devenit utilizat pe scară largă după apariția sa într-un articol din Popular Science din 1982, care a câștigat Premiul Național de Jurnalism al Asociației Scriitorilor de Aviație și Spațiu din 1982.
Studii de urmărireEdit
Pierderea datelor concrete despre resturile spațiale a determinat o serie de studii pentru o mai bună caracterizare a mediului LEO. În octombrie 1979, NASA i-a oferit lui Kessler finanțare pentru continuarea studiilor. Aceste studii au folosit mai multe abordări.
Au fost folosite telescoape optice și radare cu lungime de undă scurtă pentru a măsura numărul și dimensiunea obiectelor spațiale, iar aceste măsurători au demonstrat că numărul publicat al populației era cu cel puțin 50% prea mic. Înainte de aceasta, se credea că baza de date NORAD reprezenta majoritatea obiectelor mari de pe orbită. S-a constatat că unele obiecte (de obicei, nave spațiale militare americane) au fost omise din lista NORAD, iar altele nu au fost incluse deoarece au fost considerate neimportante. Lista nu putea să ia în considerare cu ușurință obiectele cu dimensiuni mai mici de 20 cm (7,9 in) – în special resturile provenite din explozia etajelor de rachete și din mai multe teste antisatelit din anii 1960.
Vehiculele spațiale recuperate au fost examinate la microscop pentru a detecta mici impacturi, iar secțiuni ale Skylab și ale modulului de comandă/serviciu Apollo care au fost recuperate s-au dovedit a fi pietroase. Fiecare studiu a indicat faptul că fluxul de resturi a fost mai mare decât se aștepta și că resturile au fost sursa principală a micrometeoroizilor și a coliziunilor cu resturi orbitale în spațiu. LEO a demonstrat deja sindromul Kessler.
În 1978, Kessler a constatat că 42% din resturile catalogate erau rezultatul a 19 evenimente, în principal explozii ale etajelor de rachete uzate (în special rachete Delta americane). El a descoperit acest lucru identificând mai întâi acele lansări care au fost descrise ca având un număr mare de obiecte asociate cu o încărcătură utilă, apoi făcând cercetări în literatura de specialitate pentru a determina rachetele folosite la lansare. În 1979, această descoperire a dus la înființarea Programului NASA privind resturile orbitale după o ședință de informare a conducerii superioare a NASA, răsturnând convingerea anterioară conform căreia majoritatea resturilor necunoscute proveneau de la vechile teste ASAT, nu de la exploziile rachetelor americane cu etaj superior, care aparent puteau fi gestionate cu ușurință prin epuizarea combustibilului nefolosit din racheta Delta cu etaj superior după injectarea încărcăturii utile. Începând din 1986, când s-a descoperit că și alte agenții internaționale se confruntau probabil cu același tip de problemă, NASA și-a extins programul pentru a include agenții internaționale, prima fiind Agenția Spațială Europeană.:2 O serie de alte componente Delta aflate pe orbită (Delta era un cal de bătaie al programului spațial american) nu explodaseră încă.
Un nou sindrom KesslerEdit
În timpul anilor 1980, Forțele Aeriene ale SUA (USAF) au desfășurat un program experimental pentru a determina ce s-ar întâmpla în cazul în care resturi se ciocnesc cu sateliți sau alte resturi. Studiul a demonstrat că procesul diferă de cel al coliziunilor cu micrometeoroizi, fiind create bucăți mari de resturi care ar deveni amenințări de coliziune.
În 1991, Kessler a publicat „Collisional cascading: The limits of population growth in low Earth orbit” (Limitele creșterii populației pe orbita joasă a Pământului) cu cele mai bune date disponibile atunci. Citând concluziile USAF cu privire la crearea de resturi, el a scris că, deși aproape toate obiectele de resturi (cum ar fi petele de vopsea) erau ușoare, cea mai mare parte a masei sale se afla în resturi de aproximativ 1 kg (2,2 lb) sau mai grele. Această masă ar putea distruge o navă spațială la impact, creând mai multe resturi în zona de masă critică. Potrivit Academiei Naționale de Științe:
Un obiect de 1 kg care se lovește la 10 km/s, de exemplu, este probabil capabil să distrugă în mod catastrofal o navă spațială de 1.000 kg dacă lovește un element cu densitate mare din nava spațială. Într-o astfel de dezmembrare, s-ar crea numeroase fragmente mai mari de 1 kg.
Analiza lui Kessler a împărțit problema în trei părți. Cu o densitate suficient de mică, adăugarea de resturi prin impacturi este mai lentă decât rata de descompunere a acestora și problema nu este semnificativă. Dincolo de aceasta există o densitate critică, în care resturile suplimentare duc la coliziuni suplimentare. La densități care depășesc această masă critică, producția depășește descompunerea, ceea ce duce la o reacție în lanț în cascadă care reduce populația orbitală la obiecte mici (cu dimensiuni de câțiva centimetri) și crește pericolul activității spațiale. Această reacție în lanț este cunoscută sub numele de sindromul Kessler.
Într-o trecere în revistă istorică de la începutul anului 2009, Kessler a rezumat situația:
Activitățile spațiale agresive fără garanții adecvate ar putea scurta semnificativ timpul dintre coliziuni și ar putea produce un pericol intolerabil pentru viitoarele nave spațiale. Unele dintre cele mai periculoase pentru mediu activități spațiale includ constelații mari, cum ar fi cele propuse inițial de Inițiativa de Apărare Strategică la mijlocul anilor 1980, structuri mari, cum ar fi cele avute în vedere la sfârșitul anilor 1970 pentru construirea de stații de energie solară pe orbita Pământului, și războiul anti-satelit folosind sisteme testate de URSS, SUA și China în ultimii 30 de ani. Astfel de activități agresive ar putea crea o situație în care o singură defecțiune a unui satelit ar putea duce la defecțiuni în cascadă ale mai multor sateliți într-o perioadă mult mai scurtă de ani.