211service.com
Förutse kollisioner mellan rymdfarkoster och rymdskräp
I september bröt en bit skräp av från en 19-årig icke-operativ NASA-satellit 330 miles upp i himlen. United States Space Surveillance Network (SSN), som ansvarar för att övervaka de mer än 22 000 satelliterna och andra objekt i omloppsbana, upptäckte händelsen, ritade ut fragmentets omloppsbana och fastställde att det var på väg mot den internationella rymdstationen (ISS) ). Om det träffar laboratoriet på 100 miljarder dollar kan skräpet orsaka katastrofala skador. Efter att ha fått varningen beslutade NASA att manövrera rymdfarkosten ur skräpets väg, en uppgift som den nu utför ungefär två gånger om året. Hotet om en sådan kollision har mer än fördubblats på bara de senaste två åren, säger Nicholas L. Johnson , NASA:s chefsforskare för orbitalskräp.
Belamrande utrymme: Den här datorgenererade bilden visar den enorma mängden konstgjort skräp i omloppsbana.
Mer än en halv miljon konstgjorda föremål stora som en marmor eller större kretsar nu runt jorden - och 15 000 av dem är större än en knytnäve. Detta orbitala skräp, eller rymdskräp, inkluderar inaktiva satelliter, förbrukade raketkroppar, material från solida raketmotorer, kollisionsfragment och uppdragsavfall. De flesta operativa rymdfarkoster använder skyddande avskärmning för att mildra påverkan av föremål som är mindre än en centimeter i diameter. Men eftersom de större tävlar runt jorden med hastigheter på fem miles per sekund, kan vilken som helst av dem förstöra vilken satellit den kolliderade med. Situationen äventyrar 160 miljarder dollar satellittjänstindustrin, som spelar en avgörande roll för internationella telefonsamtal, tv-sändningar, klimat- och väderdata och militär övervakning.
Tillväxthastighet av antalet föremål som kretsar runt jorden som är större än 10 centimeter.
Kredit: NASA
För att förstå hur sådana hot kommer att utvecklas och för att förutse rymdskrotets vägar så att kollisioner kan undvikas, utvecklade NASA en av världens mest sofistikerade prediktiva modeller. Kallad Legend (för skräp från låg jord till geosynkron miljö), simulerar den tredimensionella modellen rutterna för alla spårbara rymdobjekt och till och med faktorer i nytt skräp från framtida krascher. För att ta hänsyn till osäkerhet och slumpmässighet genereras hundratals scenarier med Monte Carlo-metoden, en uppsättning algoritmer som kan beräkna riskfaktorer i en komplex miljö. Med Legend använder NASA-forskare genomsnittet av flera simuleringar för att uppskatta antalet, storleken och typen av objekt som kommer att kollidera - och ungefär hur ofta. Till skillnad från modeller som används av U.S. Strategic Command Joint Space Operations Center , som upptäcker och spårar stora objekt och avskärmar aktiva satelliter dagligen för möjliga kollisioner inom 72 timmar, Legend inkluderar mindre fragment och ser långt in i framtiden.
På plats sedan 2004 matas NASA-modellen ständigt med data som samlats in från resultaten av marktester och rymdfarkoster som har gått sönder i omloppsbana; från teleskop och radar som tittar på himlen; och från analys av kratermärkta rymdskeppsytor som har återvänt till jorden. Det betyder att nya simuleringar måste köras kontinuerligt. Legenden gör det möjligt för forskare att beräkna konsekvenserna av ett särskilt uppbrott eller kollision och hjälper dem att varna chefer på rymdstationen om att en bit skräp kan vara i dess väg. Modellen rekommenderar också att satelliter som snart ska skjutas upp i områden att undvika och kommer att vägleda forskare när de försöker utveckla och skjuta upp skräpborttagningsteknik för första gången.
Rymdförutsägelser: Det här diagrammet visar det kumulativa antalet kollisioner mellan objekt 10 centimeter och större. Kurvans lutning som börjar 2009 är baserad på Legend-modellens förutsägelse av cirka 0,14 skräpproducerande kollisioner per år mellan katalogiserade objekt. Faktiska kollisioner inträffade 1991, 2005 och 2009. (Tre scenarier är modellerade: BAU=business as usual; PMD=post mission disposition; NFL=inga framtida lanseringar)
I sitt föredrag vid den första konferensen för borttagning av orbitalskräp förra året sa J.C. Liou, NASA:s ledande forskare för Legend, att modellen förutspådde 178 kollisioner under de kommande 200 åren, 83 av dem katastrofala i låg omloppsbana om jorden. Kollisioner förväntas i genomsnitt ungefär en gång vart femte år. Den senaste kraschen inträffade i februari 2009, när en Iridium-telekommunikationssatellit i drift slog in i en pensionerad rysk Cosmos-satellit i mer än 15 000 miles per timme. Kollisionen var den första som förstörde en aktiv satellit, och den genererade mer än 2 000 nya spårbart skräp. Händelsen ledde till en förändring i en policy som hade funnits sedan skapandet av NASA för mer än 50 år sedan. Under big sky-teorin sågs rymdskräp inte som ett stort hot, eftersom rymden är så enorm. Big Sky-teorin är inte längre ett hållbart koncept för rymdoperationer, säger Chris Moss, chef för Joint Space Operations Center vid Kaliforniens Vandenberg Air Force Base. Satelliter koncentreras nu till specifika banor, påpekar Moss. Det är inte längre trivialt att två objekt kan kollidera. Vi tar problemet på allvar och lägger våra resurser på sätt att lösa det.
Det är en skrämmande uppgift, särskilt eftersom de mindre bitarna av rymdskräp inte lätt kan spåras från marken. Vi går nu in i en tid då den orbitala skräpmiljön i allt högre grad kommer att kontrolleras av slumpmässiga kollisioner, säger Donald Kessler , en konsult som gick i pension från NASA för 14 år sedan. 1978, som en ung NASA-astrofysiker, förutspådde Kessler att år 2000 skulle fragment från slumpmässiga kollisioner i låg omloppsbana om jorden bli en betydande källa till små skräp som skulle öka sannolikheten för ännu fler kollisioner. Hans landmärke papper Kollisionsfrekvens av konstgjorda satelliter: Skapandet av ett skräpbälte ledde till skapandet av NASA Orbital Debris Program Office , där han tillbringade 17 år som ledande forskare för forskning om orbitala skräp. Under den tiden blev scenariot han förutspådde känt som Kesslers syndrom .
Kessler nyligen publicerat en ny tidning verifierade att hans förutsägelser från 1978 var ungefär korrekta, och han jämförde dem med dagens rymdmiljö. Hans slutsats: vi står inför ett allvarligt problem. Om vi bibehåller den nuvarande populationen av kretsande rymdfarkoster utan att lägga till något annat, skulle bara resultatet av slumpmässiga kollisioner producera skräp snabbare än luftmotståndet skulle kunna rensa ut låg omloppsbana om jorden, säger han. Hans rekommendation: det är dags att aktivt börja ta bort de största skräpobjekten från himlen. Legend-modellen visar att även om vi lyckades undvika kollisioner med alla operativa rymdfarkoster, säger han, skulle det göra liten skillnad i resultatet, eftersom det finns så mycket skräp som inte kan manövrera.
Budskapet från modellen når äntligen igenom. I sin nationella rymdpolitik från 2010, ledde president Obama till NASA och försvarsdepartementet att städa upp rymden och tillhandahöll en charter för att bedriva forskning om hur man gör det. Sanering är nästa steg, säger Johnson. Initial finansiering av rymdsaneringsinsatser förväntas under 2011.