Od lat 60. XX wieku NASA i inne agencje kosmiczne wysyłają coraz więcej rzeczy na orbitę. Pomiędzy zużytymi etapami rakiet, zużytych boosterów i satelitów, które stały się nieaktywne, nie brakowało pływających tam sztucznych obiektów. Z czasem stworzyło to znaczący (i narastający) problem odpadów kosmicznych, który stanowi poważne zagrożenie dla Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS), aktywnych satelitów i statków kosmicznych.
Podczas gdy większe kawałki śmieci - od 5 cm (2 cale) do 1 metra (1,09 jarda) średnicy - są regularnie monitorowane przez NASA i inne agencje kosmiczne, mniejsze kawałki są niewykrywalne. W połączeniu z tym, jak powszechne są te małe fragmenty gruzu, sprawia to, że obiekty o wymiarach około 1 milimetra stanowią poważne zagrożenie. Aby temu zaradzić, ISS opiera się na nowym urządzeniu znanym jako czujnik szczątków kosmicznych (SDS).
Ten skalibrowany czujnik zderzenia, który jest zamontowany na zewnątrz stacji, monitoruje uderzenia spowodowane drobnymi śmieciami kosmicznymi. Czujnik został włączony do ISS we wrześniu, gdzie będzie monitorował uderzenia przez następne dwa do trzech lat. Informacje te zostaną wykorzystane do zmierzenia i scharakteryzowania środowiska gruzu orbitalnego i pomogą agencjom kosmicznym w opracowaniu dodatkowych środków zaradczych.
Mierząc około 1 metra kwadratowego (~ 10,76 ft²), SDS jest montowany w zewnętrznym miejscu ładunku, które jest zwrócone w kierunku wektora prędkości ISS. Czujnik składa się z cienkiej przedniej warstwy Kapton - folii poliimidowej, która pozostaje stabilna w ekstremalnych temperaturach - a następnie drugiej warstwy znajdującej się 15 cm (5,9 cala) za nią. Ta druga warstwa Kaptona jest wyposażona w czujniki akustyczne i siatkę drutów rezystancyjnych, a następnie wbudowany czujnik.
Ta konfiguracja pozwala czujnikowi mierzyć rozmiar, prędkość, kierunek, czas i energię każdego drobnego zanieczyszczenia, z którym ma styczność. Podczas gdy czujniki akustyczne mierzą czas i lokalizację uderzenia penetrującego, siatka mierzy zmiany rezystancji, aby oszacować wielkość impaktora. Czujniki w ograniczniku mierzą również otwór utworzony przez impaktor, który służy do określania prędkości impaktora.
Dane te są następnie badane przez naukowców z White Sands Test Facility w Nowym Meksyku i University of Kent w Wielkiej Brytanii, gdzie testy hiperszybkości są przeprowadzane w kontrolowanych warunkach. Jak powiedział dr Mark Burchell, jeden ze współpracowników i współpracowników ds. SDS z University of Kent, powiedział Space Magazine pocztą elektroniczną:
„Pomysł jest urządzeniem wielowarstwowym. Masz czas, gdy przechodzisz przez każdą warstwę. Poprzez triangulowanie sygnałów w warstwie uzyskujesz pozycję w tej warstwie. Dwa razy i pozycje dają prędkość… Jeśli znasz prędkość i kierunek, możesz dostać się na orbitę pyłu, a to może ci powiedzieć, czy prawdopodobnie pochodzi on z kosmosu (naturalny pył), czy też znajduje się na podobnej orbicie ziemskiej jak satelity, więc prawdopodobnie jest to szczątek. Wszystko to w czasie rzeczywistym, ponieważ jest elektroniczne. ”
Dane te poprawią bezpieczeństwo na pokładzie ISS, umożliwiając naukowcom monitorowanie ryzyka kolizji i generowanie dokładniejszych szacunków dotyczących występowania drobnych odpadów w kosmosie. Jak wspomniano, większe kawałki śmieci na orbicie są regularnie monitorowane. Składa się z około 20 000 obiektów o wielkości baseballu i dodatkowych 50 000 o wielkości marmuru.
Jednak SDS koncentruje się na obiektach o średnicy od 50 mikronów do 1 milimetra, które liczą w milionach. Choć drobny, fakt, że obiekty te poruszają się z prędkością ponad 28 000 km / h (17 500 mil na godzinę), oznacza, że mogą one nadal powodować znaczne uszkodzenia satelitów i statków kosmicznych. Będąc w stanie poznać te obiekty i to, jak zmienia się ich populacja w czasie rzeczywistym, NASA będzie w stanie ustalić, czy problem resztek orbitalnych pogłębia się.
Wiedza o tym, jak wygląda sytuacja z odpadami, jest również nieodłącznym elementem poszukiwania sposobów jej złagodzenia. Będzie to przydatne nie tylko w przypadku operacji na pokładzie ISS, ale także w nadchodzących latach, gdy Space Launch System (SLS) i kapsuła Oriona wystartują w kosmos. Jak dodał Burchell, wiedza na temat prawdopodobnych kolizji i rodzajów uszkodzeń, jakie mogą one spowodować, pomoże w opracowaniu projektu statku kosmicznego - szczególnie w przypadku osłony.
„Wiesz, że znasz ryzyko, które możesz dostosować do projektu przyszłych misji, aby chronić je przed uderzeniami, lub bardziej przekonujące, gdy mówisz producentom satelitów, że muszą w przyszłości tworzyć mniej śmieci” - powiedział. „Albo wiesz, czy naprawdę musisz pozbyć się starych satelitów / śmieci, zanim rozpadnie się i zasypie orbitę ziemną drobnymi szczątkami w skali mm”.
Dr Jer Chyi Liou, oprócz bycia wspólnym badaczem SDS, jest także głównym naukowcem NASA ds. Odpadów orbitalnych i kierownikiem programu w biurze programu odpadów orbitalnych w Johnson Space Center. Jak wyjaśnił Space Magazine za pośrednictwem poczty elektronicznej:
„Obiekty gruzu orbitalnego wielkości milimetra reprezentują najwyższe ryzyko penetracji do większości operujących statków kosmicznych na niskiej orbicie ziemskiej (LEO). Misja SDS będzie służyć dwóm celom. Po pierwsze, SDS zgromadzi przydatne dane dotyczące drobnych śmieci na wysokości ISS. Po drugie, misja zademonstruje możliwości SDS i umożliwi NASA poszukiwanie możliwości misji w celu zebrania bezpośrednich danych pomiarowych na milimetrowych szczątkach na wyższych wysokościach LEO w przyszłości - dane, które będą potrzebne do rzetelnej oceny ryzyka i kosztów zanieczyszczenia szczątkowego orbity -skuteczne środki łagodzące w celu lepszej ochrony przyszłych misji kosmicznych w LEO. ”
Wyniki tego eksperymentu opierają się na wcześniejszych informacjach uzyskanych przez program Space Shuttle. Kiedy promy wróciły na Ziemię, zespoły inżynierów zbadały sprzęt, który ulegał kolizjom, w celu ustalenia wielkości i prędkości uderzenia śmieci. Karta charakterystyki potwierdza również wykonalność technologii czujników zderzenia w przyszłych misjach na większych wysokościach, gdzie ryzyko od śmieci do statku kosmicznego jest większe niż na wysokości ISS.
