Sedan 1960-talet har NASA och andra rymdbyråer skickat fler och fler saker i omloppsbana. Mellan de tillbringade stadierna av raketer, förbrukade boosters och satelliter som sedan har blivit inaktiva har det inte varit brist på konstgjorda föremål som flyter där uppe. Med tiden har detta skapat det betydande (och växande) problemet med rymdskräp, som utgör ett allvarligt hot mot den internationella rymdstationen (ISS), aktiva satelliter och rymdskepp.
Medan de större bitarna av skräp - från 5 cm (1 tum) till 1 meter (1,09 meter) i diameter - övervakas regelbundet av NASA och andra rymdbyråer, kan de mindre bitarna inte upptäckas. Kombinerat med hur vanliga dessa små bitar av skräp är, gör detta föremål som mäter cirka 1 millimeter till ett allvarligt hot. För att hantera detta förlitar sig ISS på ett nytt instrument som kallas Space Debris Sensor (SDS).
Denna kalibrerade stötsensor, som är monterad på utsidan av stationen, övervakar stötar orsakade av småskaliga rymdskräp. Sensorn integrerades i ISS redan i september, där den kommer att övervaka påverkan under de kommande två till tre åren. Denna information kommer att användas för att mäta och karakterisera kretsloppsmiljön och hjälpa rymdbyråerna att utveckla ytterligare motåtgärder.
Mätningen av cirka 1 kvadratmeter (~ 10,76 ft²) är SDS monterad på en extern nyttolastplats som vetter mot ISS: s hastighetsvektor. Sensorn består av ett tunt framskikt av Kapton - en polyimidfilm som förblir stabil vid extrema temperaturer - följt av ett andra lager som ligger 15 cm (5,9 tum) bakom den. Detta andra Kapton-lager är utrustat med akustiska sensorer och ett rutnät med resistiva ledningar, följt av en sensor-inbäddad backstop.
Denna konfiguration gör det möjligt för sensorn att mäta storlek, hastighet, riktning, tid och energi för alla små skräp som den kommer i kontakt med. Medan de akustiska sensorerna mäter tiden och platsen för en genomträngande påverkan, mäter rutnätet förändringar i motstånd för att ge storleksuppskattningar av stötarna. Sensorerna i backstoppen mäter också hålet som skapas av en slagare, som används för att bestämma slagets hastighet.
Dessa data undersöks sedan av forskare vid White Sands Test Facility i New Mexico och vid University of Kent i Storbritannien, där hypervelocity-test utförs under kontrollerade förhållanden. Som Dr. Mark Burchell, en av medutredarna och samarbetarna på SDS från University of Kent, berättade för Space Magazine via e-post:
”Idén är en flerskiktsenhet. Du får en tid när du passerar genom varje lager. Genom att triangulera signaler i ett lager får du 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 säga om det troligen kommer från djupt rymd (naturligt damm) eller befinner sig i en liknande jordbana som satelliter så det är troligt skräp. Allt detta i realtid eftersom det är elektroniskt. ”
Denna information kommer att förbättra säkerheten ombord på ISS genom att ge forskare möjlighet att övervaka riskerna för kollisioner och generera mer exakta uppskattningar av hur småskaligt skräp finns i rymden. Som noterats övervakas de större bitarna av skräp i omloppsbana regelbundet. Dessa består av ungefär 20 000 föremål som är ungefär lika stora som en baseball, och ytterligare 50 000 som är ungefär storleken på en marmor.
SDS är emellertid fokuserad på objekt som är mellan 50 mikron och 1 millimeter i diameter, som antalet i miljoner. Även om det är litet betyder det faktum att dessa föremål rör sig med hastigheter över 28 000 km / h (17 500 mph) att de fortfarande kan orsaka betydande skador på satelliter och rymdskepp. Genom att kunna få en känsla av dessa objekt och hur deras befolkning förändras i realtid kommer NASA att kunna avgöra om problemet med orbital skräp blir värre.
Att veta hur skräpssituationen är där uppe är också inneboende att hitta sätt att mildra det. Detta kommer inte bara att vara praktiskt när det gäller verksamhet ombord på ISS, utan de kommande åren när Space Launch System (SLS) och Orion-kapseln tar utrymme. Som Burchell tillade, att veta hur troligt kollisioner kommer att bli, och vilken typ av skador de kan orsaka, kommer att hjälpa till att informera rymdskeppsdesign - särskilt när det gäller skydd.
"[Du] känner till faran med att du kan anpassa utformningen av framtida uppdrag för att skydda dem från påverkan, eller så är du mer övertygande när du berättar för satellittillverkare att de måste skapa mindre skräp i framtiden," sade han. "Eller vet du om du verkligen behöver bli av med gamla satelliter / skräp innan det bryts upp och duschar jordbana med små mm-skalor."
Dr Jer Chyi Liou, förutom att vara en medutredare på SDS, är också NASA: s huvudforskare för orbital skräp och programchef för Orbital Debris Program Office vid Johnson Space Center. Som han förklarade till Space Magazine via e-post:
”De millimeter stora orbitalavfallsföremålen representerar högsta penetrationsrisk till majoriteten av operativa rymdfarkoster i låg jordbana (LEO). SDS-uppdraget kommer att tjäna två syften. Först kommer SDS att samla in användbar data om små skräp i ISS-höjden. För det andra kommer uppdraget att visa SDS: s kapacitet och göra det möjligt för NASA att söka uppdragsmöjligheter för att samla in direkt mätdata på millimeterstor skräp i högre LEO-höjder i framtiden - data som kommer att behövas för pålitliga orbitalskräp påverkan riskbedömningar och kostnader -effektiva avhjälpande åtgärder för att bättre skydda framtida rymduppdrag i LEO. ”
Resultaten från detta experiment bygger på tidigare information som erhållits av Space Shuttle-programmet. När skyttlarna återvände till jorden, inspekterade team av ingenjörer hårdvara som genomgick kollisioner för att bestämma skräpets storlek och slaghastighet. SDS validerar också livskraften för stödsensorteknologi för framtida uppdrag i högre höjder, där riskerna från skräp till rymdskepp är större än vid ISS-höjden.
