NASA undersøger laser til fjernelse af rumskrammel

I 1978 forudsagde NASA-forskeren Donald Kessler, at en kollision mellem to stykker rumskrot kunne udløse en kaskade af yderligere påvirkninger og skabe farligt store mængder affald.

Kessler påpegede, at når hastigheden, hvormed affald dannes, er hurtigere end den hastighed, hvormed det de-kredser, så ville Jorden blive omgivet af permanente skrammelbælter, et scenario, der nu er kendt som Kessler-syndromet.

Efter nogle skøn er Kessler-syndromet allerede blevet en realitet. I januar 2009 skabte en kollision mellem satellitterne Iridium 33 og Cosmos 2251 netop denne form for kaskade. To år tidligere testede det kinesiske militær et anti-satellitvåben ved at ødelægge en af ​​sine egne satellitter kaldet Fengyun 1C. Begge hændelser fandt sted i højder på omkring 800 km.

I dag kredser Den Europæiske Rumorganisations jordobservationssatellit, Envisat, omkring denne højde og er regelmæssigt truet af potentielle påvirkninger. Over 60 procent af disse trusler kan spores tilbage til Iridium/Cosmos-kollisionen eller Fengyun-hændelsen.

Men selvom rumskrot truer de fleste rumoperatører, er det få, der har et reelt incitament til at gøre noget ved det. Hvis der opstår en væsentlig trussel, er det normalt muligt at flytte en satellit af vejen. Det er meget billigere end rent faktisk at rydde skrammel.

Resultatet er en tragedie af commons-situationen, hvor en fælles ressource bliver udnyttet til det punkt, hvor den bliver ubrugelig.

Det er her, et regeringsagentur som NASA kommer ind i billedet. Forskellige ideer er blevet fremsat til at fjerne rumskrammel, de fleste af dem enormt dyre.

I dag beskriver James Mason ved NASA Ames Research Center nær Palo Alto og et par venner en meget billigere løsning. Deres idé er at zappe individuelle skrammelstykker med en jordbaseret laser og derved bremse dem, så de til sidst de-kredser.

Selvfølgelig er laserfjernelse ikke helt nyt. I 1990'erne studerede det amerikanske luftvåben ideen og troede, at en kraftig nok laser kunne fjerne et objekt og skabe en kraft, der kunne bruges til at de-kredse det. Problemet med denne idé er, at sådan en kraftig laser har et åbenlyst dobbelt formål, som næppe vil glæde andre rumfarende nationer.

Så Mason og venner har undersøgt muligheden for at bruge et meget mindre kraftfuldt system, som alene bruger fotonernes momentum til at bremse skrotet. Fokuseret på et stykke skrammel i en time eller to hver dag, beregner de, at en 5 KW laser kunne gøre tricket, og at sådan en enhed kunne tackle op til ti genstande om dagen.

Det kan hjælpe med at flytte skrammel væk fra potentielt farlige baner og i sidste ende at de-kredse det helt. Faktisk siger Mason og co, at systemet kunne vende Kessler-syndromet, så hastigheden for fjernelse af affald igen overstiger dets oprettelseshastighed.

De siger, at deres system endda kan bruges til at manøvrere passende designede satellitter, uden at de behøver at bære drivmiddel. Et sådant system kunne markedsføres som et kommercielt foretagende og dermed være med til at betale for det.

Ikke at det behøver at være voldsomt dyrt. Mason og co anslår, at en testenhed kunne blive banket op for en million dollars, som ville skulle deles af mange rumfarende nationer, for at undgå de uundgåelige juridiske problemer, som brug af en sådan enhed ville rejse.

Selvfølgelig har USA (og naturligvis Kina) allerede teknologien til denne form for arbejde, ved at bruge deres egne antisatellitsystemer. Mason og co siger faktisk, at det kan være muligt at udføre en demonstration til næsten nul omkostninger ved at bruge eksisterende kapaciteter, såsom dem fra Starfire Optical Range ved Kirtland AFB.

Det er kun et spørgsmål om tid, før et stykke rumskrot forårsager alvorlig kaos i kredsløb, for eksempel ved at true en bemandet mission. Der vil være masser af interesse for denne form for teknologi efter sådan en hændelse. Og så vil vi spørge, hvorfor vi ikke investerede i teknologien, når vi havde chancen for at forhindre denne form for katastrofe.

Ref: arxiv.org/abs/1103.1690 : Undgåelse af kredsløbsaffald-affaldskollision

Du kan nu følge The Physics arXiv Blog på Twitter

Rettelse – 15. marts 2011
Som svar på dette indlæg sendte NASA Public Affairs Office følgende:
James Mason, forfatter fra Universities Space Research Association, vil gerne have et par punkter præciseret om følgende sætninger:
1) I dag, James Mason ved NASA Ames Research Center nær Palo Alto og et par venner...
James Mason er fra Universities Space Research Association (USRA). Arbejdet var et samarbejde mellem USRA, Stanford University og NASA Ames: Mason og Marshall er finansieret af USRA. Stupl er finansieret af Stanford. Levit er en NASA embedsmand.
2) Fokuseret på et stykke skrammel i en time eller to hver dag, beregner de, at en 5 KW laser kunne gøre tricket
Tricket er kun at forskyde objektet en lille smule, og derved forhindre en kollision. Denne lasers effekt ville være alt for svag til hurtigt at påvirke henfaldet af objektets bane. For faktisk at de-kredse et affaldsobjekt med en laser kræver kræfter omkring 1.000 gange stærkere. I sidste ende ville det tage omtrent lige så lang tid, som hvis vi ikke havde oplyst det - dette kan meget vel tage årtier, afhængigt af objektet.
3) Mason og co vurderer, at en test-enhed kan blive banket op for en million dollars
Laseren alene ville koste omkring en million dollars (det er en kommercielt tilgængelig industriel laser). De faktiske omkostninger ved et operationssystem (inklusive teleskop, adaptiv optik osv.) er uklare, men vil sandsynligvis være mindst titusindvis af millioner.
4) Selvfølgelig har USA (og naturligvis Kina), allerede teknologien til denne form for arbejde, ved at bruge deres egne antisatellitsystemer. Mason og co siger faktisk, at det kan være muligt at udføre en demonstration til næsten nul omkostninger ved at bruge eksisterende kapaciteter, såsom dem fra Starfire Optical Range ved Kirtland AFB.
antisatellitsystemer kan være for stærke. Den eksisterende militærteknologi er formentlig primært til (i øjeblikket) sporing og billeddannelse af andre satellitter. Det Direkte Energidirektorat i Kirtland har sandsynligvis det meste af det, der er nødvendigt for at lave en teknologidemonstration, men vi understreger i papiret, at dette system bør udføres som et internationalt samarbejde på grund af de åbenlyse sikkerhedsmæssige konsekvenser.
Også Jan Stupl, også en forfatter fra Stanford University, kommenterede følgende sætning:
Deres idé er at zappe individuelle skrammelstykker med en jordbaseret laser og derved bremse dem, så de til sidst de-kredser.
Vores stykke handler om at undgå kollisioner, ikke om at de-kredse. Det samme gælder for deadline: det handler ikke om at 'fjerne' rumskrammel, men 'flytte'...

skjule