211service.com
Hvordan verdens største pistol hjalp med at løse et mangeårigt rummysterium
Store metalfragmenter kan ødelægge andre satellitter eller rumfartøjer i kredsløb, hvilket øger frygten for en løbsk kædereaktion, kaldet Kessler Syndrome Agnes Lopez
På en svulmende dag i august i et kontor uden vinduer i det centrale Florida, bar Rafael Carrasquilla og et dusin andre studerende kirurgiske handsker, mens de plukkede gennem støvbunker med en pincet. De var på jagt efter små strimler af kulfiber, der kun var millimeter lange, næsten usynlige for det blotte øje. Der var ingen ventilationsventilatorer, ingen nysen eller pludselige bevægelser ved laboratoriebænken.
Da de fandt en, loggede de dens udseende i en database, pakkede den i sække, mærkede den og placerede den blandt titusindvis af andre omhyggeligt organiseret i rækker af plastikspande.
Vinduer og døre er dækket for at udelukke naturligt lys, hvilket holder fragmentfotografering konsekvent | Strip-indkøbscentret i Gainesville, Florida, huser DebriSat-karakteriseringsindsatsen
I årevis ville arbejdere, der var på jagt efter sådanne fragmenter, deponere hver enkelt forsigtigt på en mikrovægt isoleret fra rumlen fra forbipasserende lastbiler ved en tyk granitbordplade. Den gennemsnitlige vægt var omkring 0,5 mikrogram - omkring en hundrededel af en menneskelig øjenvippe. Disse fragmenter er så ubetydelige, at selv små ændringer i temperaturen kunne skævvride resultaterne, så arbejderne lærte at vente et par minutter efter at være kommet ind i lokalet, før de fortsatte med deres opgave, for at give det klimatiserede klima en chance for at stabilisere sig. Der er operatører, der holder vejret med mikrobalancen, så de ikke forårsager en dårlig læsning, siger Carrasquilla. Til sidst gik de videre fra at veje disse mindste fragmenter, efter at have katalogiseret nok af dem til at forstå deres betydning. Nu tæller de omhyggeligt dem alle, men vejer kun de større.
Carrasquilla leder indsatsen for karakterisering af fragmenter for University of Florida, en del af et NASA-ledet eksperiment kaldet DebriSat, der begyndte i 2011 . DebriSat blev skabt for at besvare et spørgsmål: Hvad sker der, når et stykke orbitalt affald slår ind i en satellit med tusindvis af miles i timen? Hvis en sådan kollision opstår i kredsløb, er det umuligt at holde styr på det resulterende kaos. Den eneste måde at besvare det spørgsmål med tillid er at forårsage en katastrofal virkning i et laboratorium hernede på Jorden, hvor forholdene kan kontrolleres omhyggeligt og resultaterne omhyggeligt katalogiseres.
Orbital affald kommer i mange former og størrelser, fra fragmenter, der ligner dem, Carrasquillas gruppe analyserede, til raketforstærkere i fuld størrelse efterladt i rummet. I kredsløb er selv miniaturefragmenter i stand til at beskadige satellitter eller trænge ind i rumdragter. Kinetisk energi øges med kvadratet af et objekts hastighed - og stød i kredsløb sker typisk med over 20.000 miles i timen, så selv små kulfibernåle kan forårsage skade. Den største missionsafslutningsrisiko for operationelle rumfartøjer kommer fra små, millimeterstore orbitale affald, ikke store fede genstande, siger Jer Chyi JC Liou, NASAs chefforsker for orbitalaffald ved Johnson Space Center i Texas.
Når hvert fragment er blevet vejet, målt, beskrevet og fotograferet, bliver det pakket og arkiveret Agnes Lopez
Men Lious computermodeller havde en blind vinkel, når det kom til affald. Simuleringer matchede ikke beviser bragt tilbage fra kredsløb af rumfærgen, eller hvad NASA så i rigtige kollisioner.
I januar 2007 ødelagde Kina med vilje en af sine egne Fengyun-vejrsatellitter ved hjælp af et anti-satellitmissil. Så i februar 2009 kolliderede en nedlagt russisk Kosmos militærsatellit ved et uheld med en Iridium-kommunikationssatellit højt over Sibirien. De to begivenheder skabte store fragmentskyer, der tvang satellitter og den internationale rumstation til at udføre kollisionsmanøvrer.
Fragmenter fra Kosmos stemte overens med vores forudsigelser, men Iridium og kinesiske [opløsninger] så væsentligt anderledes ud end vores modeller, siger Liou. Antallet af fragmenter var meget højere end vi forudsagde.
Nogle af satellitfragmenterne udvundet af University of Florida-teamet Agnes Lopez
Hvis NASAs software undervurderede konsekvenserne af kredsløbsbrud og kollisioner, kunne det være at bringe agenturets rumfartøj - og eventuelle astronauter om bord - i reel fare.
NASA etablerede DebriSat-programmet for at komme til bunds i denne uoverensstemmelse og bad Norman Fitz-Coy, lederen af University of Floridas Space Systems Research Group, om at designe en mock-up satellit, også kaldet DebriSat. Den 15. april 2014 skød han den med verdens største pistol. Range G, som pistolen kaldes, er begravet i en tunnel under en skov ved Arnold Air Force Base i Tennessee. Den blev bygget i 1963 og er blevet affyret tusindvis af gange i våbentest. Dens tønde blev forlænget til 192 fod (58,5 meter) i 2004.
Tønden ligner et uskadeligt rør: det ser mindre bemærkelsesværdigt ud, end det er. Pistolen har to trin. Den første fase bruger flere hundrede pund konventionelt krudt. Efter at være blevet elektronisk antændt, eksploderer krudtet og accelererer et stempel ned ad indersiden af røret. Forsiden af stemplet danner en tætning med rørets vægge: Når det accelererer til næsten 2.000 mph, komprimerer det brintgas foran det.
Til sidst sprænger den højt komprimerede gas en holdeskive (ved design). Dette frigiver gassens indelukkede energi til at skyde et projektil ind i målet med over 15.000 miles i timen. Projektilet i DebriSat-testen var en specialdesignet hul aluminiumscylinder beklædt med nylon, omtrent på størrelse med en sodavandsdåse. Da den ramte satellitten, skabte kollisionen en hurtigt blomstrende ildkugle, der slyngede en sky af små fragmenter ind i omgivende skumblokke, hvor de blødt blev fanget. Fitz-Coy husker at mærke det fjerne kontrolrum, han var i rystet i stødsøjeblikket.
Skumblokkene blev derefter pakket omhyggeligt og sendt til stripindkøbscentret i Gainesville, hvor Fitz-Coys team havde etableret butik. Deres opgave var at udvinde fra blokkene hvert fragment af satellitten større end to millimeter. Fitz-Coy forventede at indsamle og analysere omkring 85.000 stykker metal, plastik og glas og rapportere tilbage inden for et år.
Fem år og 195.000 ekstraktioner senere er der anslået 100.000 fragmenter, der stadig mangler at blive indsamlet. Nogle fragmenter er små og andre er store, men det store antal tyder på, at hver kollision, eksplosion og opbrud i kredsløb skaber langt mere affald, end nogen tidligere havde indset.
Før DebriSat troede NASA, at der var over 100 millioner affaldsobjekter i millimeterskala, der kredsede om Jorden, alle praktisk talt uopdagelige, men alle kunne ødelægge en satellit eller punktere en rumdragt. Resultaterne af DebriSat tyder sammen med anden NASA-forskning på, at dette skøn drastisk undertæller de mindste fragmenter i rummet - og den store risiko, de repræsenterer.
Mens menneskeheden forbereder sig på at opsende tusindvis af flere satellitter og snesevis af nye bemandede missioner i de kommende år, må vi se i øjnene, at det mikroaffald, vi ikke kan se deroppe, nok er endnu farligere end det rumskrammel, vi kan.
I 1978 offentliggjorde NASA-forskerne Donald Kessler og Burton Cour-Palais et papir, der advarede om, at en kaskade af satellitkollisioner kunne skabe et kunstigt asteroidebælte af affald rundt om Jorden, som ville hæmme fremtidige opsendelser, et fænomen, der kom til at blive kaldt Kessler-syndromet.
NASA anslår, at der har været over 250 væsentlige affaldsfremkaldende begivenheder i kredsløb siden 1961, hovedsageligt fra det eksplosive opbrud af rumfartøjer og raketkroppe. Affald fra Iridium-Kosmos-kollisionen og den kinesiske anti-satellittest for over ti år siden udgør stadig omkring en tredjedel af alle objekter, der er katalogiseret i kredsløb.
Men hvorfor fik NASAs modeller antallet af Kosmos-fragmenter rigtigt, og de andre så forkerte?
En åbenlys forskel var, at det russiske Kosmos var betydeligt ældre end det andet rumfartøj. Liou havde mistanke om, at Iridium- og kinesiske Fengyun-satellitter producerede et uventet stort antal fragmenter, fordi de brugte kulfiberkompositter og flerlags termisk isolering. Fragmenter af disse lette moderne materialer kan forfalde til atmosfæren hurtigere end metaller (fragmenter af sammenlignelig størrelse har mindre inerti og er derfor mere modtagelige for atmosfærisk modstand), men det så ud til, at der var mange, mange flere af dem.
NASAs eksisterende model var baseret på en test fra 1992, hvor en 1960'er-satellit kaldet Transit blev sprængt af den samme gigantiske pistol i Tennessee. Men Transit var gammel, ligesom Kosmos, med mere metal og mindre plastik end nutidens satellitter. 1992-versionen af pistolen var også mindre kraftfuld end 2014-versionen, og analysen af de resulterende fragmenter blev udført på en tilfældig måde. Selvom andre hyperhastighedstest er blevet udført før og siden, var Transit-testen den eneste gang, en flyveklar satellit var blevet sprængt i luften på Jorden. Dagens bedste orbitale kollisionsmodeller er stadig i vid udstrækning baseret på dets aldrende, ufuldstændige data.
Risikoen ved at stole på unøjagtige modeller blev tydelige i 2014, da National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) var ved at lægge sidste hånd på sin seneste vejrsatellit. Joint Polar Satellite System, eller JPSS-1, er en af de første satellitter i en 40-årig indsats på $19 milliarder for at indsamle datamasser om skyer, overfladetemperaturer, atmosfæriske gasser og naturbrande for at forbedre aktualiteten og nøjagtigheden af prognoser forud for hårdt vejr. Det ville også spore vulkanudbrud, opdage skovbrande og spotte de tidlige tegn på tørke.
NOAA ønskede naturligvis at sikre, at JPSS-1, der selv har kostet omkring 2 milliarder dollars, ville overleve i hele sin syvårige levetid. Som det er almindeligt for store, dyre satellitter, udførte dens bygherrer en risikovurdering ved hjælp af computermodeller fra tre separate agenturer - NASA, European Space Agency og en uafhængig forskningsorganisation. Alle var mere eller mindre enige om truslen fra mikrometeoroider og orbitalaffald større end tre millimeter.
Men så udgav Lious team en ny version af NASAs ingeniørmodel for orbitalaffald. NOAA-forskerne kørte tallene igen og forventede kun at se mindre ændringer og fik en grim overraskelse. Den seneste software var langt mere pessimistisk end de tidligere modeller og forudsagde, at JPSS-1 kunne opleve op til 160 gange mere skade fra fragmenter en millimeter eller mindre. Mens den tidligere version har givet JPSS-1's drivmiddeltank en 1% chance for at lide en mission, der afslutter påvirkningen, var der nu en uacceptabel 26% risiko for katastrofe.
Risikoen var steget, fordi den nye software nu indeholdt data fra det eneste NASA-instrument, der faktisk, hvis ufrivilligt, havde taget prøver af mikrometeoroid- og orbitalaffald i lav kredsløb om Jorden. Rumfærgen kørte i næsten 30 år med affald i kredsløbet, og samlede alle slags spåner, bump og små huller fra hyperhastighedspåvirkninger i dens tid i luften. Fra 1992 til rumfærgens pensionering i 2011 blev dens vinduer og radiatorer undersøgt i detaljer for skader fra orbitalaffald. Den store overraskelse var, at forskere fandt over 2.600 nedslagskratere på netop disse overflader, svarende til over 10 gange flere fragmenter i millimeterskala end forventet.
In situ-påvirkningsdata fra skytterne er stadig de bedste, NASA har. (Det amerikanske luftvåbens X37B ubemandede rumfly har sandsynligvis indsamlet lignende data under sine hemmelige flerårige missioner, som forbliver klassificeret.) Men kilden til det lille affald var et mysterium. Noget genererede enorme mængder af det i lav kredsløb om Jorden, og ingen vidste, hvad det var, eller hvordan det foregik.
NASAs DebriSat-test, som lovede at afsløre nogle af mysterierne omkring brud og sammenstød, virkede pludselig endnu vigtigere. Men først skulle Fitz-Coy designe og konstruere en så realistisk satellit som JPSS-1 på en lille brøkdel af NOAAs budget.
Vi gennemgik stort set den samme proces, som man ville tage, hvis man byggede en rigtig satellit, siger han. Vi havde al hardwaren, kablerne, elektronikken og optikken ombord – alt undtagen softwaren.
Nogle af de billigere komponenter, såsom en inertimåleenhed og et reaktionshjul, blev doneret af producenter. For dyrere hardware, som præcisionsstjernesporere, lånte Fitz-Coys team en prøve og byggede så tæt en kopi, som de kunne. Der behøves ikke noget for rent faktisk at virke; det skulle bare have de rigtige materialer de rigtige steder.
Fitz-Coy vidste, at med NASAs begrænsede budget til dyre affaldstests, kan DebriSat være det sidste opbrudseksperiment i yderligere 20 eller 30 år. Så han forsøgte at forudse, hvordan satellitter ville blive bygget i fremtiden. For eksempel var det batteri, vi valgte, lithium-polymer snarere end et typisk nikkel-cadmium, siger han. Satellitten vil også have flerlagsisolering, solpaneler, der kan bruges, og kulfiber-strukturelementer, der findes på stort set alle nye satellitter, der er større end cubesats.
NASA vendte tilbage til Range G for eksperimentet, og dækkede næsten hver kvadratcentimeter af eksplosionskammeret med lag af farvekodede skumpaneler, der øgede i tæthed for at fange stadig flere energiske fragmenter. Før-og-efter-billeder af eksperimentet viser, at den hypersoniske eksplosion havde forvandlet det pæne testkammer ved Arnold til et kaotisk rod af knækket skum og hængende kabler. Fitz-Coys satellit så ud til at være forsvundet.
Da de første skumpaneler ankom til Gainesville, var nogle stort set intakte, mens andre var splintret i stykker. De blev røntgenfotograferet, og de resulterende billeder blev sat sammen, kørt gennem en objektdetekteringsalgoritme og projiceret tilbage på det fysiske panel. Eleverne indsatte stifter i skummet overalt, hvor fremspringet indikerede, at der lå fragmenter på lur. Røntgenbillederne kunne identificere, hvor fragmenterne var, men lidt andet om dem.
Hvert skumpanel, der er forkullet af DebriSat-eksplosionen, har en unik kode, der beskriver, hvor i eksplosionskammeret det kom fra. Agnes Lopez
Så kom pincetten ud. Det er præcis den samme manuelle opgave, som en arkæolog udfører på en udgravning, siger Fitz-Coy. De går ind og graver forsigtigt rundt om ting, så de ikke beskadiger artefakten.
Langsomt dukkede bittesmå former op fra det sorte, sprøde materiale. De fleste var små nåle af kulfiber eller umærkelige metalflager. Af og til dukkede en genkendelig skrue eller fragment af printplade op. Uanset hvilken form de tog, skrev en arbejder fragmentets skumpanelkoordinater på en plastikpose og sænkede den forsigtigt ned.
Næste skridt var at karakterisere fragmentet. Ved hjælp af et mikroskop matchede eleverne det til et af 15 kendte materialer, seks former og 13 farver (komponenter blev anodiseret i forskellige nuancer for at hjælpe med at indsnævre hvert fragments oprindelse).
Derefter blev stykkerne vejet og fotograferet. Mens flade fragmenter fik et normalt digitalt foto, blev større bidder anbragt i en 3D-billeddannelsesrig, der bruger seks kompakte kameraer, en pladespiller med grøn skærm og en dedikeret computer.
Materiale, form og tæthed er alle vigtige oplysninger for bedre at forstå resultatet af ethvert rumfartøj, der bliver påvirket af kredsløbsaffald, siger Liou. Forestil dig et lille stykke affald, der rammer din rakets drivmiddeltank med 10 kilometer i sekundet [over 22.000 miles i timen]. Du vil gerne vide dens masse, og om det er rustfrit stål eller et stykke plastik.
Indsamling af al denne information tager tid: omkring tre minutter at inspicere et fragment visuelt, fire at veje det, fem at tage et 2D-billede og op til en halv time at skyde, behandle og uploade hvert 3D-billede. Endelig skal dataene for hvert fragment verificeres manuelt for nøjagtighed, hvilket tager yderligere 15 minutter i gennemsnit. Fitz-Coy understreger, at DebriSat er lige så meget et big-data-projekt som et ingeniørprojekt - projektets servere rummer i øjeblikket over 40 terabyte data.
Hver skumplade vil blive røntgenfotograferet for at lokalisere fragmenter, der sidder inde. DebriSat-teamet anslår, at over 100.000 fragmenter mangler at blive indsamlet. Agnes Lopez
Indtil for nylig vurderede University of Florida-studerende hvert fragment, efterhånden som det blev gendannet. Det involverede for det meste måling af små fragmenter af kulfiber, som tegner sig for næsten to tredjedele af alle de 67.000 fragmenter, der er behandlet til dato.
Til sidst, efter at opgavens størrelse var blevet indlysende, skiftede projektets prioriteter. Oprindeligt havde NASA bedt om en beskrivelse af hvert enkelt fragment større end to millimeter. Men denne sommer besluttede DebriSat-teamet at fokusere på fragmenter på 10 centimeter eller større. Mindre fragmenter ville blive talt, men ikke analyseret. Statistisk set har vi alt, hvad vi skal bruge på kulfibernålene, siger Fitz-Coy.
Det vil gøre det muligt for hans team at nå sit mål om at karakterisere 90% af målsatellittens masse hurtigere og dermed accelerere udviklingen af en ny satellitopbrudsmodel hos NASA. At koncentrere sig om så heftige metalstykker ser ud til at give mening. Disse er fragmenter større end DebriSats aluminiumskugle - store nok til at true bemandede rumfartøjer, store nok til at udløse snak om Kessler-syndromet og store nok til, at satellitoperatører kan opdage, spore og undgå. Men det store antal mindre fragmenter derude er fortsat et problem i sig selv.
Det amerikanske rumovervågningsnetværk, der drives af Pentagon, bruger radar til at spore alt, der er større end 10 centimeter, der kredser om Jorden, helt ud til geostationære afstande - en tiendedel af vejen til månen. Dette er meget højere end de baner, hvor de fleste satellitter befinder sig. MITs Haystack- og Millstone Hill-radarer i Massachusetts kan detektere fragmenter større end fem millimeter i disse lave jordbaner, og NASAs Goldstone-radar i Californien er i stand til at få øje på alt, der er større end tre millimeter. Haystack og Goldstone giver blot et indblik i, hvor mange mindre fragmenter der er deroppe - men de kan ikke holde styr på deres baner. Og for affald, der er mindre end tre millimeter i størrelse, eksisterer fjerndetekteringsmetoder simpelthen ikke.
NASA ved stadig ikke med sikkerhed, hvor alt det mikroaffald, der overfyldte rumfærgen, kom fra. I en ingeniørsikkerhedsrapport fra 2015 udelukkede agenturet orbitale kollisioner og brud som kilden, selvom det var før de nye data fra DebriSat-testen. I den rapport konkluderede agenturet, at hvert rumfartøj i kredsløb skal være udsat for konstant erosion fra affald i millimeterskala og meteoroider, der konstant påvirker satellitter og afhugger flere lignende små fragmenter. Kessler-syndromet, ser det ud til, har været med os i årtier - bare i en skala for lille til at se.
Takket være mega-konstellationer af satellitter fra f.eks. SpaceX, Amazon og OneWeb er menneskeheden indstillet til at øge antallet af satellitter i lav kredsløb om jorden med en faktor på 25 i løbet af de næste par år. Med nye radarer, god koordination og en del held kan morgendagens satellitter måske undgå de største bidder af affald. Men mængden af affald, der er for lille til at spore, vil kun vokse. Det eneste spørgsmål er, om dette vil ske pludseligt, hvilket det vil ske, hvis der er flere kollisioner som 2007- og 2009-styrtene, eller gradvist, efterhånden som eksisterende affald slår bits fra det voksende antal satellitter.
Satellitter og rumfartøjer bliver nødt til at flyve gennem denne orbital tåge. NOAAs løsning til JPSS-1 var at styrke afskærmningen omkring drivmiddeltanken og simpelthen håbe, at dens delikate videnskabelige nyttelast ville forblive heldig over satellittens flerårige mission. Det er ikke altid muligt, siger Hugh Lewis, ekspert i rumskrot ved University of Southampton i Storbritannien. Lewis er en del af et tværfagligt europæisk projekt, der forsøger at komme op med nye afbødningsteknikker, såsom letvægts 3D-printet afskærmning, der er specielt designet til at beskytte mod mikroaffald. Afskærmning har en tendens til at tilføje ret meget masse og volumen, siger han. Du kan også sætte sårbare eller vigtige komponenter dybere ind i rumfartøjet og beskytte dem med mindre vigtige. Men at ændre konfigurationen af rumfartøjer er ikke nødvendigvis en billig eller nem mulighed.
Over 195.000 fragmenter er blevet ekstraheret til dato, fra små kulfibernåle til genkendelige elektroniske komponenter Agnes Lopez
Rumorganisationer og satellitoperatører har også brug for bedre computermodeller til forhold og kollisioner i kredsløb. JC Liou siger, at DebriSat-dataene ikke vil begynde at forbedre NASA's breakup-model i yderligere tre år. Moriba Jah, lektor i rumfartsteknik ved University of Texas i Austin, siger, at eksperimenter som DebriSat er både essentielle og naive: Der er intet bedre end de rigtige data, du får fra at sprænge noget i luften, [men] du vil aldrig være i stand til at sprænge nok til at få en meget god statistisk forståelse af, hvordan disse ting går i stykker.
I mellemtiden fortsætter DebriSat-målingerne langsomt og giver arbejde til endnu en årgang af studerende. Vi kunne blive ved i fem år mere eller 10, siger Rafael Carrasquilla. Fitz-Coy siger, at DebriSats nuværende deadline er 2022, selvom den ikke engang har finansiering så langt ude.
De har talt brikker for evigt, men vi skal have disse data i går, siger Jah. Med tidlige data fra Gainesville sive ud, bliver der allerede gjort noget videnskab. Joshua Miller, en rumfartsingeniør ved University of Texas i El Paso, offentliggjorde en kort artikel i et NASA-tidsskrift i december 2018, hvor han kiggede på kulfiberflager og nåle, som DebriSat opdagede. Han fandt ud af, at uregelmæssigt formet kulfiberaffald kunne trænge igennem afskærmning svarende til den, der blev brugt af den internationale rumstation, lettere end tidligere modeller, som kun betragtede sfæriske partikler.
Eleverne udvinder fragmenter fra skumpladerne ved hjælp af en pincet. Agnes Lopez
DebriSat er aldrig ligefrem skyllet med kontanter, og DebriSat står nu over for en usikker fremtid med aldrende teknologi. Dens originale røntgenmaskine gik i stykker for to år siden, og ingen skumpaneler er blevet røntgenfotograferet i Florida siden. Fitz-Coy håber, at en enhed, der er genbrugt fra at scanne bagage i lufthavne, vil få processen tilbage på sporet. Vi får det her og ser, om det virker, siger han. Det kan det eller det kan det ikke. Med krydsede fingre.
Uanset hvad, har DebriSat-projektet allerede vist sig at være for vigtigt til at aflyse. Efter at røntgenmaskinen fejlede, fjernede Carrasquillas team på et tidspunkt endda forsigtigt hele skumpaneler uden at vide, hvad der var indeni. Der er behov for dataene, og det vil vi gerne have ud så hurtigt, som vi kan, siger Fitz-Coy. Men alt her er tidskrævende. På trods af vores bedste indsats er det bare opgavens natur.