211service.com
Hur världens största pistol hjälpte till att lösa ett långvarigt rymdmysterium
Stora metallfragment kan förstöra andra satelliter eller rymdfarkoster i omloppsbana, vilket ökar rädslan för en skenande kedjereaktion, kallad Kesslers syndrom Agnes Lopez
En svällande dag i augusti, i ett kontor i ett fönsterlöst galleria i norra centrala Florida, bar Rafael Carrasquilla och ett dussin andra studenter operationshandskar när de plockade igenom högar av damm med en pincett. De var på jakt efter små bitar av kolfiber som bara var millimeter långa, nästan osynliga för blotta ögat. Det fanns inga ventilationsfläktar, inga nysningar eller plötsliga rörelser vid labbbänken.
När de hittade en, loggade de dess utseende i en databas, packade den, taggade den och placerade den bland tiotusentals andra noggrant organiserade i raden av plastbehållare.
Fönster och dörrar är täckta för att utesluta naturligt ljus, vilket håller fragmentfotografering konsekvent | Stripgallerian i Gainesville, Florida, inrymmer DebriSat-karakteriseringssatsningen
I åratal skulle arbetare som letade efter sådana fragment lägga var och en försiktigt på en mikrovåg isolerad från mullret från passerande lastbilar av en tjock bänkskiva i granit. Medelvikten var cirka 0,5 mikrogram - ungefär en hundradel av en mänsklig ögonfrans. Dessa fragment är så obetydliga att även små temperaturförändringar kan förvränga resultaten, så arbetarna lärde sig att vänta några minuter efter att de kommit in i rummet innan de fortsätter med sin uppgift, för att ge det luftkonditionerade klimatet en chans att stabilisera sig. Det finns operatörer som håller andan med mikrovågen så att de inte orsakar en dålig läsning, säger Carrasquilla. Så småningom gick de vidare från att väga dessa minsta fragment, efter att ha katalogiserat tillräckligt många av dem för att förstå deras betydelse. Nu räknar de noggrant alla men väger bara de större.
Carrasquilla leder fragmentkaraktäriseringsarbetet för University of Florida, en del av ett NASA-ledt experiment som kallas DebriSat som började 2011 . DebriSat skapades för att svara på en fråga: Vad händer när en bit av orbital skräp slår in i en satellit i tusentals miles per timme? Om en sådan kollision inträffar i omloppsbana är det omöjligt att hålla reda på det resulterande kaoset. Det enda sättet att svara på den frågan med tillförsikt är att orsaka en katastrofal påverkan i ett laboratorium här nere på jorden, där förhållandena noggrant kan kontrolleras och resultaten noggrant katalogiseras.
Orbitalskräp finns i många former och storlekar, från fragment som liknar de som Carrasquillas grupp analyserade till raketboosters i full storlek som lämnats i rymden. I omloppsbana kan även miniatyrfragment skada satelliter eller penetrera rymddräkter. Kinetisk energi ökar med kvadraten på ett objekts hastighet - och nedslag i omloppsbana sker vanligtvis med över 20 000 miles per timme, så att även små kolfibernålar kan orsaka skada. Den största risken för att avsluta uppdraget för operativa rymdskepp kommer från små, millimeterstora orbitala skräp, inte stora feta föremål, säger Jer Chyi JC Liou, NASA:s chefsforskare för orbitalskräp vid Johnson Space Center i Texas.
När varje fragment har vägts, mätts, beskrivits och fotograferats packas det i påsar och arkiveras Agnes Lopez
Men Lious datormodeller hade en blind fläck när det kom till skräp. Simuleringar stämde inte överens med bevis som rymdfärjan tog tillbaka från omloppsbanan, eller vad NASA såg i verkliga kollisioner.
I januari 2007 förstörde Kina avsiktligt en av sina egna Fengyun vädersatelliter med hjälp av en anti-satellitmissil. Sedan i februari 2009 kolliderade en nedlagd rysk militärsatellit från Kosmos av misstag med en Iridium-kommunikationssatellit högt över Sibirien. De två händelserna skapade stora fragmentmoln som tvingade satelliter och den internationella rymdstationen att utföra kollisionsmanövrar.
Fragment från Kosmos stämde överens med våra förutsägelser, men Iridium och kinesiska [upplösningar] såg betydligt annorlunda ut från våra modeller, säger Liou. Antalet fragment var mycket högre än vi förutspått.
Några av satellitskrotfragmenten som extraherades av University of Florida-teamet Agnes Lopez
Om NASA:s mjukvara underskattade konsekvenserna av omloppsbrott och kollisioner, kan det sätta byråns rymdfarkost – och eventuella astronauter ombord – i verklig fara.
NASA etablerade DebriSat-programmet för att komma till botten med denna diskrepans och bad Norman Fitz-Coy, chefen för University of Floridas Space Systems Research Group att designa en mock-up-satellit, även kallad DebriSat. Den 15 april 2014 sköt han den med världens största pistol. Range G, som pistolen kallas, är begravd i en tunnel under en skog vid Arnold Air Force Base i Tennessee. Den byggdes 1963 och har avfyrats tusentals gånger i vapenprov. Dess pipa förlängdes till 192 fot (58,5 meter) 2004.
Pipan liknar ett ofarligt rör: det ser mindre anmärkningsvärt ut än det är. Pistolen har två steg. Det första steget använder flera hundra pund av konventionellt krut. Efter att ha antänts elektroniskt exploderar krutet och accelererar en kolv ner på insidan av röret. Kolvens framsida bildar en tätning med rörets väggar: när den accelererar till nästan 2 000 mph, komprimerar den vätgas framför sig.
Så småningom bryter den högt komprimerade gasen sönder en hållarskiva (genom design). Detta frigör gasens uppdämda energi för att skjuta en projektil in i målet i över 15 000 miles per timme. Projektilen i DebriSat-testet var en specialdesignad ihålig aluminiumcylinder försedd med nylon, ungefär lika stor som en läskburk. När den träffade satelliten skapade kollisionen en snabbt blommande eldsfär som kastade ett moln av små fragment in i omgivande skumblock, där de mjukt fångades in. Fitz-Coy minns att han kände hur det avlägsna kontrollrummet han var i skak i ögonblicket av nedslaget.
Skumblocken packades sedan noggrant och skickades till strippgallerian i Gainesville, där Fitz-Coys team hade startat sin butik. Deras uppgift var att extrahera från blocken varje fragment av satelliten som var större än två millimeter. Fitz-Coy förväntade sig att samla in och analysera cirka 85 000 bitar av metall, plast och glas och rapportera tillbaka inom ett år.
Fem år och 195 000 extraktioner senare återstår uppskattningsvis 100 000 fragment fortfarande att samlas in. Vissa fragment är små och andra är stora, men det stora antalet tyder på att varje kollision, explosion och uppbrott i omloppsbana skapar mycket mer skräp än någon tidigare hade insett.
Innan DebriSat trodde NASA att det fanns över 100 miljoner skräpobjekt i millimeterskala som kretsade runt jorden, alla praktiskt taget omöjliga att upptäcka, men vilka som helst kunde förstöra en satellit eller punktera en rymddräkt. Resultaten av DebriSat, tillsammans med annan NASA-forskning, tyder på att denna uppskattning drastiskt underskattar de minsta fragmenten i rymden - och den stora risken de representerar.
När mänskligheten förbereder sig för att skjuta upp tusentals fler satelliter och dussintals nya besättningsuppdrag under de kommande åren, måste vi inse att det mikroskräp som vi inte kan se där uppe utan tvekan är ännu farligare än rymdskräpet vi kan.
1978 publicerade NASA-forskarna Donald Kessler och Burton Cour-Palais en papper som varnade för att en kaskad av satellitkollisioner kunde skapa ett konstgjort asteroidbälte av skräp runt jorden som skulle hindra framtida uppskjutningar, ett fenomen som kom att kallas Kesslers syndrom.
NASA uppskattar att det har förekommit över 250 betydande skräp-orsakande händelser i omloppsbana sedan 1961, mestadels från det explosiva sönderfallet av rymdskepp och raketkroppar. Skräp från Iridium-Kosmos-kollisionen och det kinesiska anti-satellittestet för över ett decennium sedan står fortfarande för ungefär en tredjedel av alla objekt som katalogiserats i omloppsbana.
Men varför fick NASA:s modeller rätt antal Kosmos-fragment och de andra så fel?
En uppenbar skillnad var att den ryska Kosmos var betydligt äldre än den andra rymdfarkosten. Liou misstänkte att satelliterna Iridium och kinesiska Fengyun producerade ett oväntat stort antal fragment eftersom de använde kolfiberkompositer och flerskikts värmeisolering. Fragment av dessa lätta moderna material kan sönderfalla i atmosfären snabbare än metaller (fragment av jämförbar storlek har mindre tröghet och är därför mer mottagliga för luftmotstånd), men det visade sig att det fanns många, många fler av dem.
NASA:s befintliga modell baserades på ett test från 1992, där en 1960-talsatellit kallad Transit sprängdes av samma gigantiska pistol i Tennessee. Men Transit var gammal, som Kosmos, med mer metall och mindre plast än dagens satelliter. 1992 års version av pistolen var också mindre kraftfull än 2014, och analysen av de resulterande fragmenten gjordes på ett slumpartat sätt. Även om andra hyperhastighetstester har utförts före och sedan, var Transit-testet den enda gången en flygfärdig satellit hade sprängts på jorden. Dagens bästa orbitala kollisionsmodeller är fortfarande till stor del baserade på dess åldrande, ofullständiga data.
Riskerna med att förlita sig på felaktiga modeller blev tydliga 2014, när National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) lade sista handen på sin senaste vädersatellit. Joint Polar Satellite System, eller JPSS-1, är en av de första satelliterna i en 40-årig satsning på 19 miljarder dollar för att samla in mängder av data om moln, yttemperaturer, atmosfäriska gaser och skogsbränder för att förbättra prognosernas aktualitet och exakthet före svåra väderhändelser. Det skulle också spåra vulkanutbrott, upptäcka skogsbränder och upptäcka de tidiga tecknen på torka.
NOAA ville naturligtvis se till att JPSS-1, som själv har kostat runt 2 miljarder dollar, skulle överleva under hela sin sjuåriga livstid. Som är vanligt för stora, dyra satelliter, utförde dess byggare en riskbedömning med hjälp av datormodeller från tre separata byråer - NASA, European Space Agency och en oberoende forskningsorganisation. Alla var mer eller mindre överens om hotet från mikrometeoroider och orbitalskräp större än tre millimeter.
Men sedan släppte Lious team en ny version av NASA:s tekniska modell för orbitalskräp. NOAA-forskarna körde siffrorna igen och förväntade sig att bara se mindre förändringar och fick en otäck överraskning. Den senaste mjukvaran var mycket mer pessimistisk än de tidigare modellerna och förutspådde att JPSS-1 kan uppleva upp till 160 gånger mer skada från fragment en millimeter eller mindre. Medan den tidigare versionen har gett JPSS-1:s drivmedelstank en 1 % chans att drabbas av en kollision som avslutar uppdraget, fanns det nu en oacceptabel risk på 26 % för katastrof.
Risken hade ökat eftersom den nya mjukvaran nu inkluderade data från det enda NASA-instrumentet som faktiskt, om ofrivilligt, hade tagit prover på mikrometeoroid- och orbitalskräp i låg omloppsbana om jorden. Rymdfärjan körde handsket av orbitalskräp i nästan 30 år och samlade alla typer av spån, stötar och små hål från stötar med hög hastighet under sin tid uppe. Från 1992 till skyttelns pensionering 2011 undersöktes dess fönster och radiatorer i detalj för skador från orbitalskräp. Den stora överraskningen var att forskare hittade över 2 600 nedslagskratrar på just dessa ytor, vilket motsvarar över 10 gånger fler millimeterskaliga fragment än väntat.
In situ-påverkansdata från skyttlarna är fortfarande det bästa NASA har. (Det amerikanska flygvapnets X37B obemannade rymdplan samlade sannolikt liknande data under sina hemliga fleråriga uppdrag, som fortfarande är hemliga.) Men källan till det lilla skräpet var ett mysterium. Något genererade enorma mängder av det i låg omloppsbana om jorden, och ingen visste vad det var eller hur det hände.
NASA:s DebriSat-test, som lovade att avslöja några av mysterierna kring uppbrott och kollisioner, verkade plötsligt ännu viktigare. Men först skulle Fitz-Coy behöva designa och konstruera en så realistisk satellit som JPSS-1, på en liten bråkdel av NOAA:s budget.
Vi gick i princip igenom samma process som man skulle ta om man bygger en riktig satellit, säger han. Vi hade all hårdvara, kablar, elektronik och optik ombord – allt utom mjukvaran.
Några av de billigare komponenterna, som en tröghetsmätenhet och ett reaktionshjul, donerades av tillverkare. För dyrare hårdvara, som precisionsstjärnspårare, lånade Fitz-Coys team ett prov och byggde en så nära kopia som de kunde. Inget behövdes för att faktiskt fungera; det var bara att ha rätt material på rätt ställen.
Fitz-Coy visste att med NASA:s begränsade budget för dyra skräptester kan DebriSat vara det sista upplösningsexperimentet på ytterligare 20 eller 30 år. Så han försökte förutse hur satelliter skulle byggas i framtiden. Till exempel var batteriet vi valde litiumpolymer snarare än ett typiskt nickel-kadmium, säger han. Satelliten skulle också ha flerskiktsisolering, utplacerbara solpaneler och kolfiberstrukturelement som finns på praktiskt taget alla nya satelliter större än cubesats.
NASA återvände till Range G för experimentet och täckte nästan varje kvadratcentimeter av sprängkammaren med lager av färgkodade skumpaneler, som ökade i densitet för att fånga in allt fler energiska fragment. Före-och-efter-bilder av experimentet visar att den hypersoniska sprängningen hade förvandlat den snygga testkammaren vid Arnold till en kaotisk röra av trasigt skum och hängande kablar. Fitz-Coys satellit verkade helt enkelt ha försvunnit.
När de första skumpanelerna anlände till Gainesville var några i stort sett intakta, medan andra hade splittrats i bitar. De röntgades och de resulterande bilderna sammanfogades beräkningsmässigt, kördes genom en objektdetekteringsalgoritm och projicerades tillbaka på den fysiska panelen. Eleverna satte in nålar i skummet varhelst projektionen visade att fragment låg på lur. Röntgenbilderna kunde identifiera var fragmenten fanns, men lite annat om dem.
Varje skumpanel som förkolnas av DebriSat-explosionen har en unik kod som beskriver var i sprängkammaren den kom ifrån. Agnes Lopez
Sedan kom pincetten ut. Det är exakt samma manuella uppgift som en arkeolog utför på en utgrävning, säger Fitz-Coy. De går in och gräver försiktigt runt saker så att de inte skadar artefakten.
Långsamt uppstod små former ur det svärtade, spröda materialet. De flesta var små nålar av kolfiber eller omärkliga metallflingor. Ibland dök det upp en igenkännbar skruv eller fragment av kretskort. Vilken form de än tog, skrev en arbetare fragmentets skumpanelkoordinater på en plastpåse och sänkte försiktigt ner den.
Nästa steg var att karakterisera fragmentet. Med hjälp av ett mikroskop matchade eleverna det till ett av 15 kända material, sex former och 13 färger (komponenter anodiserades i olika nyanser för att minska varje fragments ursprung).
Därefter vägdes bitarna och fotograferades. Medan platta fragment fick ett normalt digitalt foto, placerades större bitar i en 3D-bildrigg som använder sex kompaktkameror, en skivspelare med grön skärm och en dedikerad dator.
Material, form och densitet är all viktig information för att bättre förstå resultatet av alla rymdfarkoster som påverkas av orbitala skräp, säger Liou. Föreställ dig en liten bit skräp som träffar din rakets drivmedelstank i 10 kilometer per sekund [över 22 000 miles per timme]. Du kommer att vilja veta dess massa och om det är rostfritt stål eller en bit plast.
Att samla all denna information tar tid: cirka tre minuter att visuellt inspektera ett fragment, fyra för att väga det, fem för att ta ett 2D-foto och upp till en halvtimme att fotografera, bearbeta och ladda upp varje 3D-bild. Slutligen måste data för varje fragment verifieras manuellt för noggrannhet, vilket tar ytterligare 15 minuter i genomsnitt. Fitz-Coy betonar att DebriSat är lika mycket ett big-data-projekt som ett ingenjörsprojekt – projektets servrar innehåller för närvarande över 40 terabyte data.
Varje skumbräda kommer att röntgas för att lokalisera fragment som sitter kvar inuti. DebriSat-teamet uppskattar att över 100 000 fragment återstår att samla in. Agnes Lopez
Tills nyligen bedömde University of Florida studenter varje fragment när det återfanns. Det involverade mestadels att mäta små fragment av kolfiber, som står för nästan två tredjedelar av alla de 67 000 fragment som bearbetats hittills.
Så småningom, efter att storleken på uppgiften hade blivit uppenbar, ändrades projektets prioriteringar. Ursprungligen hade NASA bett om en beskrivning av varje enskilt fragment större än två millimeter. Men i somras beslutade DebriSat-teamet att fokusera på fragment 10 centimeter eller större. Mindre fragment skulle räknas men inte analyseras. Statistiskt sett har vi allt vi behöver på kolfibernålarna, säger Fitz-Coy.
Det kommer att göra det möjligt för hans team att nå sitt mål att karakterisera 90 % av målsatellitens massa snabbare, och därmed påskynda utvecklingen av en ny satellitupplösningsmodell vid NASA. Att koncentrera sig på sådana rejäla metallbitar verkar vara vettigt. Dessa är fragment större än DebriSats aluminiumkula – tillräckligt stora för att hota rymdfarkoster med besättning, tillräckligt stora för att utlösa tal om Kesslers syndrom och tillräckligt stora för satellitoperatörer att upptäcka, spåra och undvika. Men det stora antalet mindre fragment där ute är fortfarande ett problem i sig.
US Space Surveillance Network, som drivs av Pentagon, använder radar för att spåra allt större än 10 centimeter som cirkulerar jorden, hela vägen ut till geostationära avstånd – en tiondel av vägen till månen. Detta är mycket högre än de banor där de flesta satelliter finns. MIT:s Haystack- och Millstone Hill-radar i Massachusetts kan upptäcka fragment större än fem millimeter i dessa låga jordbanor, och NASA:s Goldstone-radar i Kalifornien kan upptäcka allt större än tre millimeter. Haystack och Goldstone ger bara en inblick i hur många mindre fragment som finns där uppe - men de kan inte hålla reda på sina banor. Och för skräp mindre än tre millimeter i storlek, finns det helt enkelt inte metoder för fjärrdetektering.
NASA vet fortfarande inte säkert var allt mikroskräp som peppade skytteln kom ifrån. I en teknisk säkerhetsrapport från 2015 uteslöt byrån orbitala kollisioner och uppbrott som källan, även om det var före de nya uppgifterna från DebriSat-testet. I den rapporten drog byrån slutsatsen att varje rymdfarkost i omloppsbana måste utsättas för stadig erosion från skräp i millimeterskala och meteoroider som kontinuerligt träffar satelliter och flisar bort mer liknande små fragment. Kesslers syndrom, verkar det som, har funnits med oss i decennier – bara i en skala för liten för att se.
Tack vare megakonstellationer av satelliter från som SpaceX, Amazon och OneWeb är mänskligheten inställd på att öka antalet satelliter i låg omloppsbana om jorden med en faktor 25 under de närmaste åren. Med nya radarer, bra koordination och lite tur kanske morgondagens satelliter kan undvika de största skräpbitarna. Men mängden skräp som är för liten för att spåra kommer bara att växa. Frågan är bara om detta kommer att hända plötsligt, vilket det kommer att ske om det blir fler kollisioner som 2007 och 2009 års krascher, eller gradvis, när befintligt skräp slår ut bitar från det växande antalet satelliter.
Satelliter och rymdfarkoster kommer att behöva flyga genom denna omloppsdimma. NOAA:s lösning för JPSS-1 var att förstärka avskärmningen runt drivgastanken och helt enkelt hoppas att dess känsliga vetenskapliga nyttolast skulle ha tur över satellitens fleråriga uppdrag. Det är inte alltid möjligt, säger Hugh Lewis, expert på rymdskräp vid University of Southampton i Storbritannien. Lewis är en del av ett multidisciplinärt europeiskt projekt som försöker komma på nya begränsningstekniker, såsom lättvikts 3D-printad skärmning speciellt designad för att skydda mot mikroskräp. Avskärmning tenderar att tillföra ganska mycket massa och volym, säger han. Du kan också lägga sårbara eller viktiga komponenter djupare in i rymdfarkosten och skydda dem med mindre viktiga. Men att ändra konfigurationen av rymdfarkoster är inte nödvändigtvis ett billigt eller enkelt alternativ.
Över 195 000 fragment har extraherats hittills, från små kolfibernålar till igenkännbara elektroniska komponenter Agnes Lopez
Rymdorganisationer och satellitoperatörer behöver också bättre datormodeller för förhållanden och kollisioner i omloppsbana. JC Liou säger att DebriSat-data inte kommer att börja förbättra NASA:s upplösningsmodell på ytterligare tre år. Moriba Jah, docent i flyg- och rymdteknik vid University of Texas i Austin, säger att experiment som DebriSat är både viktiga och naiva: Det finns inget bättre än den verkliga data du får från att spränga något, [men] du kommer aldrig att kunna att spränga tillräckligt för att få en mycket bra statistisk förståelse för hur dessa saker går sönder.
Samtidigt fortsätter DebriSat-mätningarna långsamt och ger arbete åt ytterligare en grupp studenter. Vi skulle kunna fortsätta i fem år till, eller 10, säger Rafael Carrasquilla. Fitz-Coy säger att DebriSats nuvarande deadline är 2022, även om det inte ens har finansiering så långt ut.
De har räknat bitar för evigt, men vi måste ha dessa uppgifter igår, säger Jah. Med tidiga data från Gainesville sipprar ut, en del vetenskap görs redan. Joshua Miller, en rymdingenjör vid University of Texas i El Paso, publicerade en kort artikel i en NASA-tidskrift i december 2018 och tittade på kolfiberflingorna och nålarna som DebriSat upptäckte. Han fann att oregelbundet formade kolfiberskräp kunde tränga igenom skärmar som liknar den som används av den internationella rymdstationen lättare än vad som antagits av tidigare modeller, som endast beaktade sfäriska partiklar.
Eleverna tar ut fragment från skumskivorna med en pincett. Agnes Lopez
DebriSat, som aldrig stämmer med kontanter, står nu inför en oviss framtid med åldrande teknologi. Dess ursprungliga röntgenapparat gick sönder för två år sedan, och inga skumpaneler har röntgats i Florida sedan dess. Fitz-Coy hoppas att en enhet som återupptas från att skanna bagage på flygplatser kommer att få processen på rätt spår igen. Vi ska ta hit det och se om det fungerar, säger han. Det kan eller det kanske inte. Håller tummarna.
Hur som helst har DebriSat-projektet redan visat sig vara för viktigt för att avbrytas. Efter att röntgenapparaten misslyckades, tog Carrasquillas team vid ett tillfälle till och med försiktigt bort hela skumpaneler utan att veta vad som fanns inuti. Det finns ett behov av data, och vi vill få ut det så snabbt vi kan, säger Fitz-Coy. Men allt här är tidskrävande. Trots våra bästa ansträngningar är det bara uppgiftens natur.