Sedan 1960-talet har NASA och andra rymdorganisationer skickat mer och mer saker i omloppsbana. Mellan de förbrukade stadierna av raketer, förbrukade boosters och satelliter som sedan dess har blivit inaktiva, har det inte funnits någon brist på konstgjorda föremål som flyter upp där. Med tiden har detta skapat det betydande (och växande) problemet med rymdskräp, vilket utgör ett allvarligt hot mot Internationell rymdstation (ISS), aktiva satelliter och rymdfarkoster.
Medan de större bitarna av skräp – allt från 5 cm (2 tum) till 1 meter (1,09 yards) i diameter – övervakas regelbundet av NASA och andra rymdorganisationer, är de mindre bitarna oupptäckbara. I kombination med hur vanliga dessa små skräpbitar är, gör detta föremål som mäter cirka 1 millimeter i storlek till ett allvarligt hot. För att hantera detta förlitar sig ISS på ett nytt instrument som kallas Rymdskräpsensor (SDS).
Denna kalibrerade stötsensor, som är monterad på utsidan av stationen, övervakar stötar orsakade av småskaligt rymdskräp. Sensorn införlivades i ISS redan i september, där den kommer att övervaka effekterna under de kommande två till tre åren. Denna information kommer att användas för att mäta och karakterisera den orbitala skräpmiljön och hjälpa rymdorganisationer att utveckla ytterligare motåtgärder.
Den internationella rymdstationen (ISS), sedd här med jorden som bakgrund. Kredit: NASA
SDS, som mäter cirka 1 kvadratmeter (~10,76 ft²), är monterad på en extern nyttolastplats som är vänd mot hastighetsvektorn för ISS. Sensorn består av ett tunt främre lager av Kapton – en polyimidfilm som förblir stabil vid extrema temperaturer – följt av ett andra lager placerat 15 cm (5,9 tum) bakom den. Detta andra Kapton-skikt är utrustat med akustiska sensorer och ett rutnät av resistiva ledningar, följt av en sensorinbäddad backspärr.
Denna konfiguration gör det möjligt för sensorn att mäta storlek, hastighet, riktning, tid och energi för alla små skräp den kommer i kontakt med. Medan de akustiska sensorerna mäter tiden och platsen för en penetrerande stöt, mäter gallret förändringar i motstånd för att ge storleksuppskattningar av stötkroppen. Sensorerna i backspärren mäter också hålet som skapas av en stötkropp, som används för att bestämma stötkroppens hastighet.
Dessa data undersöks sedan av forskare vid White Sands Test Facility i New Mexico och vid University of Kent i Storbritannien, där hyperhastighetstester utförs under kontrollerade förhållanden. Som Dr. Mark Burchell, en av medutredarna och kollaboratörerna på SDS från University of Kent, sa till Universe Today via e-post:
'Idén är en enhet med flera lager. Du får en tid när du passerar genom varje lager. Genom att triangulera signaler i ett lager får man position i det lagret. Så två gånger och positioner ger en hastighet...Om du vet hastigheten och riktningen kan du få dammets omloppsbana och det kan berätta för dig om det troligen kommer från rymden (naturligt damm) eller befinner sig i en liknande omloppsbana om jorden som satelliter, så är det troligen skräp. Allt detta i realtid eftersom det är elektroniskt.”
Chipet i ISS kupolfönster, fotograferat av astronauten Tim Peake. Kredit: ESA/NASA/Tim Peake
Dessa data kommer att förbättra säkerheten ombord på ISS genom att tillåta forskare att övervaka riskerna för kollisioner och generera mer exakta uppskattningar av hur småskaligt skräp finns i rymden. Som nämnts övervakas de större skräpbitarna i omloppsbana regelbundet. Dessa består av de cirka 20 000 föremålen som är ungefär lika stora som en baseboll och ytterligare 50 000 som är ungefär lika stora som en kula.
SDS är dock fokuserat på föremål som är mellan 50 mikron och 1 millimeter i diameter, vilka räknas i miljoner. Även om de är små, betyder det faktum att dessa objekt rör sig i hastigheter över 28 000 km/h (17 500 mph) att de fortfarande kan orsaka betydande skador på satelliter och rymdfarkoster. Genom att kunna få en känsla av dessa objekt och hur deras befolkning förändras i realtid, kommer NASA att kunna avgöra om problemet med orbitalskräp blir värre.
Att veta hur skräpsituationen är där uppe är också inneboende för att hitta sätt att mildra den. Detta kommer inte bara att komma väl till pass när det kommer till operationer på ISS, utan under de kommande åren när Space Launch System (SLS) och Orion-kapseln tar sig ut i rymden. Som Burchell tillade, att veta hur troliga kollisioner kommer att vara, och vilka typer av skador de kan orsaka, kommer att hjälpa till att informera rymdfarkosters design - särskilt när det gäller skärmning.
'[När du känner till faran kan du justera utformningen av framtida uppdrag för att skydda dem från stötar, eller så är du mer övertygande när du talar om för satellittillverkare att de måste skapa mindre skräp i framtiden', sa han. 'Eller du vet om du verkligen behöver bli av med gamla satelliter/skräp innan det går sönder och överöser jordens omloppsbana med skräp i små mm skala.'
Interiören av Hypervelocity Ballistic Range vid NASA:s Ames Research Center. Detta test används för att simulera vad som händer när en bit av orbitalskräp träffar en rymdfarkost i omloppsbana. Kredit: NASA/Ames
Dr. Jer Chyi Liou är, förutom att vara medutredare på SDS, även NASA:s chefsforskare för orbital Debris och programchef för Orbital Debris Program Office vid Johnson Space Center. Som han förklarade för Universe Today via e-post:
'De millimeterstora orbitala skräpobjekten representerar den högsta penetrationsrisken för majoriteten av operativa rymdfarkoster i låg jordomloppsbana (LEO). SDS-uppdraget kommer att tjäna två syften. Först kommer SDS att samla in användbar data om små skräp på ISS-höjden. För det andra kommer uppdraget att demonstrera kapaciteten hos SDS och göra det möjligt för NASA att söka uppdragsmöjligheter för att samla in direkta mätdata på millimeterstora skräp på högre LEO-höjder i framtiden – data som kommer att behövas för tillförlitliga orbitala skräpkonsekvensbedömningar och kostnader -effektiva begränsningsåtgärder för att bättre skydda framtida rymduppdrag i LEO.'
Resultaten från detta experiment bygger på tidigare information från rymdfärjans program. När skyttlarna återvände till jorden inspekterade team av ingenjörer hårdvara som genomgick kollisioner för att fastställa skräpets storlek och kollisionshastighet. SDS validerar också genomförbarheten av stötsensorteknologi för framtida uppdrag på högre höjder, där riskerna från skräp till rymdfarkoster är större än på ISS-höjden.
Vidare läsning: NASA