NORAD, Gabbard och KesslerEdit
Willy Ley förutspådde 1960 att ”Med tiden kommer ett antal sådana oavsiktligt lyckosamma skott att ackumuleras i rymden och måste avlägsnas när den bemannade rymdfarten kommer”. Efter uppskjutningen av Sputnik 1 1957 började North American Aerospace Defense Command (NORAD) att sammanställa en databas (Space Object Catalog) över alla kända raketuppskjutningar och objekt som nått omloppsbana: satelliter, skyddande sköldar och boosters med övre och undre stadie. NASA publicerade senare modifierade versioner av databasen i tvåradiga elementuppsättningar, och under det tidiga 1980-talet återpublicerades de på nytt i bulletin board-systemet CelesTrak.
De spårare som matade databasen kände till andra objekt i omloppsbana, varav många var resultatet av explosioner i omloppsbana. Vissa orsakades avsiktligt under 1960-talets tester av antisatellitvapen (ASAT), och andra var resultatet av att raketstadier exploderade i omloppsbana när överblivet drivmedel expanderade och sprängde deras tankar. För att förbättra spårningen förde NORAD-anställd John Gabbard en separat databas. Genom att studera explosionerna utvecklade Gabbard en teknik för att förutsäga produkternas banor i omloppsbanan, och Gabbard-diagram (eller plotts) används numera i stor utsträckning. Dessa studier användes för att förbättra modelleringen av utvecklingen och nedbrytningen av omloppsbanor.
När NORAD-databasen blev allmänt tillgänglig under 1970-talet tillämpade NASA-forskaren Donald J. Kessler den teknik som utvecklats för studien av asteroidbältet på databasen över kända objekt. År 1978 skrev Kessler och Burton Cour-Palais tillsammans ”Collision Frequency of Artificial Satellites: The Creation of a Debris Belt”, där de visade att den process som styr asteroidernas utveckling skulle leda till en liknande kollisionsprocess i LEO inom decennier snarare än miljarder år. De drog slutsatsen att omkring år 2000 skulle rymdskrot överträffa mikrometeoroider som den främsta ablativa risken för rymdfarkoster i omloppsbana.
På den tiden trodde man allmänt att dragningskraften från den övre atmosfären skulle få skräp att försvinna ur omloppsbanan snabbare än vad det skapades. Gabbard var dock medveten om att antalet och typen av objekt i rymden var underrepresenterade i NORAD:s data och var bekant med dess beteende. I en intervju strax efter offentliggörandet av Kesslers artikel myntade Gabbard termen Kesslers syndrom för att hänvisa till ansamlingen av skräp; den blev allmänt använd efter att ha dykt upp i en artikel i Popular Science 1982, som vann Aviation-Space Writers Association 1982 National Journalism Award.
UppföljningsstudierRedigera
Bristen på hårda data om rymdskrot föranledde en rad studier för att bättre karaktärisera LEO-miljön. I oktober 1979 gav NASA Kessler medel för ytterligare studier. Flera tillvägagångssätt användes i dessa studier.
Optiska teleskop och kortvågsradar användes för att mäta antalet och storleken på rymdobjekt, och dessa mätningar visade att den publicerade populationsräkningen var minst 50 % för låg. Dessförinnan trodde man att NORAD-databasen stod för majoriteten av de stora objekten i omloppsbana. Det visade sig att vissa objekt (vanligen amerikanska militära rymdfarkoster) inte fanns med i NORAD:s lista, och att andra inte fanns med eftersom de ansågs oviktiga. Listan kunde inte utan vidare redogöra för objekt som var mindre än 20 cm stora – i synnerhet skräp från exploderande raketstadier och flera av 1960-talets antisatellittester.
Returnerade rymdfarkoster undersöktes mikroskopiskt för att upptäcka små nedslag, och sektioner av Skylab och Apollos kommando- och servicemodul som återfanns visade sig vara håliga. Varje undersökning visade att skräpflödet var högre än förväntat och att skräp var den primära källan till mikrometeoroider och kollisioner med orbitalt skräp i rymden. LEO visade redan på Kesslers syndrom.
1978 fann Kessler att 42 procent av det katalogiserade skräpet var resultatet av 19 händelser, främst explosioner av förbrukade raketsteg (särskilt amerikanska Delta-raketer). Han upptäckte detta genom att först identifiera de uppskjutningar som beskrevs ha ett stort antal föremål i samband med en nyttolast och sedan undersöka litteraturen för att fastställa vilka raketer som användes vid uppskjutningen. År 1979 resulterade denna upptäckt i att NASA:s program för orbitalt skräp inrättades efter en genomgång för NASA:s högsta ledning, och den tidigare uppfattningen att det mesta av det okända skräpet kom från gamla ASAT-tester, och inte från explosioner av USA:s raketsteg i det övre skedet, som till synes enkelt kunde hanteras genom att man tömde det oanvända bränslet från Delta-raketen i det övre skedet efter insprutningen av nyttolasten, omintetgjordes. Från och med 1986, när det upptäcktes att andra internationella organ möjligen upplevde samma typ av problem, utvidgade NASA sitt program till att omfatta internationella organ, varav det första var Europeiska rymdorganisationen.:2 Ett antal andra Delta-komponenter i omloppsbana (Delta var en arbetshäst i det amerikanska rymdprogrammet) hade ännu inte exploderat.
Ett nytt Kessler-syndromRedigera
Under 1980-talet genomförde det amerikanska flygvapnet (USAF) ett experimentellt program för att fastställa vad som skulle hända om skräp kolliderade med satelliter eller annat skräp. Studien visade att processen skiljde sig från kollisioner med mikrometeorider, där stora skräpbitar skapades som skulle bli kollisionshot.
I 1991 publicerade Kessler ”Collisional cascading: The limits of population growth in low Earth orbit” med de bästa data som då fanns tillgängliga. Med hänvisning till USAF:s slutsatser om skapandet av skräp skrev han att även om nästan alla skräpobjekt (t.ex. färgfläckar) var lätta, så bestod den största delen av dess massa av skräp som var ca 1 kg (2,2 lb) eller tyngre. Denna massa skulle kunna förstöra en rymdfarkost vid en kollision och skapa mer skräp i området med kritisk massa. Enligt National Academy of Sciences:
Ett föremål på 1 kg som slår ner i en hastighet av 10 km/s, till exempel, kan förmodligen katastrofalt slå sönder en rymdfarkost på 1 000 kg om det träffar ett element med hög densitet i rymdfarkosten. Vid en sådan upplösning skulle många fragment som är större än 1 kg skapas.
Kesslers analys delade upp problemet i tre delar. Med en tillräckligt låg densitet är tillskottet av skräp genom nedslag långsammare än deras sönderfallshastighet och problemet är inte betydande. Därutöver finns en kritisk densitet, där ytterligare skräp leder till ytterligare kollisioner. Vid tätheter bortom denna kritiska massa är produktionen större än nedbrytningen, vilket leder till en kaskadkedjereaktion som reducerar populationen i omloppsbana till små objekt (flera centimeter stora) och ökar risken för rymdaktivitet. Denna kedjereaktion är känd som Kesslers syndrom.
I en historisk översikt från början av 2009 sammanfattade Kessler situationen:
Aggressiv rymdverksamhet utan adekvata skyddsåtgärder skulle kunna förkorta tiden mellan kollisioner avsevärt och ge upphov till en oacceptabel fara för framtida rymdfarkoster. Några av de mest miljöfarliga aktiviteterna i rymden är stora konstellationer som de som ursprungligen föreslogs av det strategiska försvarsinitiativet i mitten av 1980-talet, stora strukturer som de som övervägdes i slutet av 1970-talet för att bygga solkraftverk i jordens omloppsbana och anti-satellitkrigföring med hjälp av system som har testats av Sovjetunionen, USA och Kina under de senaste 30 åren. Sådana aggressiva aktiviteter skulle kunna skapa en situation där ett enda satellitfel skulle kunna leda till kaskadfel för många satelliter inom en period som är mycket kortare än år.