Romavfall

Distribusjon av romrusk. Hvert punkt markerer et objekt i katalogen, vanligvis> 5 cm. (ikke skalert)

Romavfall , også kalt romskrot , består av kunstige gjenstander uten praktisk verdi, som befinner seg i baner rundt jorden og representerer en fare for romfart .

I henhold til modeller som MASTER-2005 (Meteoroid and Space Debris Terrestrial Environment Reference) fra ESA , er det over 600 000 gjenstander med en diameter større enn 1 cm i baner rundt jorden. Rundt 13 000 gjenstander fra 5 cm blir kontinuerlig observert ved hjelp av US Space Surveillance System . The Joint Space Operations Centre i USA Strategic Command visste i 2009 på mer enn 18.500 menneskeskapte himmellegemer.

Som en del av målekampanjer utføres sporadiske målinger med radarsystemer og teleskoper for å i det minste statistisk registrere mindre gjenstander og for å validere romruskmodeller som MASTER. Dette oppnås ved hjelp av bistatisk radar med Goldstone-radioteleskopet opp til 2 mm i diameter for gjenstander i nær jordbane (LEO). Optiske teleskoper har den minste grensestørrelsen for geostasjonær bane (GEO): ESA Space Debris Telescope ved Teide Observatory på Tenerife når 10 cm .

Effekt i solcellefløyen til SMM- satellitten. Hullet er 0,5 mm i diameter, støtfangeren betydelig mindre.

Resirkulerte satellittoverflater er en annen kilde til informasjon om fordelingen av romrusk. Disse inkluderer solcellene til Hubble-romteleskopet . Et stort antall slagkratere ble registrert og evaluert på sistnevnte. Spektroskopiske analyser gjorde det mulig å trekke konklusjoner om sammensetningen og dermed mulige kilder til de berørte gjenstandene.

fordeling

Høydeavhengighet av antall tetthet av partikler større enn 1 mm. 2001-data

Antall partikler varierer med høyden. Under 400 km brenner de opp i løpet av få år. De akkumuleres i banene på 600 km til 1500 km ( solsynkron bane ) og 36 000 km (geostasjonær bane), som er foretrukket av satellitter .

Antall per m² og år avhengig av partikkelstørrelse

Partikkelstrømmen (antall partikler som passerer et område på en kvadratmeter per år) varierer med størrelse. Over flere størrelsesordener følger den målte fordelingen (rød kurve i diagrammet) en kraftlov med en eksponent på 4 (blå rett linje). Disse partiklene er meteoroider av naturlig opprinnelse. Avviket for partikler mindre enn 0,1 mm er forårsaket av solvinden. Romavfall dominerer over 10 mm.

Risiko

Den relative hastigheten mellom romavfall og en nær-jord-satellitt med høy banehelling er i størrelsesorden ti kilometer per sekund. På grunn av den høye hastigheten har en partikkel med en masse på 1 g en energi på 50 kJ, som tilsvarer eksplosivkraften på ca. 12 g TNT , slik at både partikkelen og materialet som umiddelbart treffes eksploderer.

De bemannede modulene til den internasjonale romstasjonen (ISS) er utstyrt med meteoroidskjold med dobbeltvegg ( Whipple-skjold ) og tåler støt fra rusk som er flere centimeter i diameter på grunn av spredningseffekten som genereres av støtet i den første veggen.

Selv nå kan ikke sannsynligheten for svikt i operasjonelle satellitter forårsaket av påvirkning fra romavfall ikke lenger neglisjeres i noen baner. Selv støt fra mindre partikler ned til sub-millimeterområdet kan skade sensitive nyttelaster eller perforere romdrakter.

I 2007 skjøt Folkerepublikken Kina bevisst sin Fengyun-1C værsatellitt fra bakken for å demonstrere sin anti-satellitt missil evner. Dette resulterte imidlertid i en sky på minst 40.000 stykker rusk i rommet. Den største utilsiktede kollisjonen i rommet til nå var satellittkollisjonen 10. februar 2009 . En deaktivert russisk kommunikasjonssatellitt og en Iridium- satellitt kolliderte i 789 km høyde over Nord-Sibir. Begge satellittene ble ødelagt. Kollisjonen frigjorde en betydelig mengde ekstra rusk.

Kollisjonsfrekvensen av objekter i størrelsesorden 10 cm med en av de mange satellittene er estimert til en hendelse hvert 10. år.

Den bemannede internasjonale romstasjonen, men også mange av satellittene, er i stand til å utføre unnvikende manøvrer for å unngå en kollisjon (sannsynlighet p = 1/10 000) med en av de om lag 13 000 gjenstandene hvis baner kontinuerlig spores. Envisat jordobservasjonssatellitt utførte to slike manøvrer tilbake i 2004 . Romferger som Discovery måtte fly totalt seks unnvikende manøvrer. ISS hadde med suksess utført åtte unødvendige manøvrer innen 2009.

beløp

På våren 2010 hadde rundt 4700 rakettoppskytninger med gode 6100 satellitter funnet sted i 50 år med romfart. Av dette gjensto 15.000 fragmenter av raketter og satellitter, opp til fullstendige øvre stadier. I henhold til USA-katalogen er det 15 000 gjenstander på minst ti centimeter i størrelse, og det er sannsynligvis 7 000 gjenstander som holdes hemmelige. Hvis minimumsstørrelsen reduseres til en centimeter, anslås 600 000 gjenstander, som tilsettes omtrent en million mindre partikler. Dette resulterer i den totale massen av romavfall på rundt 6300 tonn, hvorav 73% av gjenstandene befinner seg i en bane nær jorden (LEO), men dette er bare 40% av den totale massen, dvs. ca. 2700 tonn. Høyden på 800 kilometer, den foretrukne flystien til rekognosssatellittene, er spesielt påvirket. ISS flyr mellom 350 og 400 kilometer; Så langt har hun måttet unngå gjenstander som er større enn en centimeter flere ganger. I geostasjonær bane (GEO) i en høyde av 36.000 kilometer rundt jorden er bare 8% av fragmentene lokalisert, men her ligger de store telekommunikasjonssatellittene, som veier tonn, med en estimert totalvekt på 33%, dvs. rundt 2000 tonn. De resterende 19% av gjenstandene med 27% av massen er på andre spor.

Kilder og vasker

Opprettelse av nytt romavfall

I tillegg til satellitter som ikke lenger er i bruk, er det et stort antall hendelser og mekanismer som fører til dannelse av rusk.

Frittliggende Delta II- rakett i andre trinn i bane, fanget av XSS 10 eksperimentell satellitt

Misjonsrelaterte gjenstander

Objekter frigjort som en del av misjonsrelaterte objekter (MRO), som eksplosive bolter og deksler. Også hele rakett øvre trinn og doble lanseringsenheter som går i bane med satellitter eller romføler og forblir der.

Den øvre trinns raketten til Surveyor 2- romfartsoppdraget er et uvanlig tilfelle : den kom midlertidig tilbake på bane i jorden i 2020 og skapte overskrifter fordi den opprinnelig ble forvekslet med en "fanget" hovedbelteasteroid.

Et stykke aluminium fra en test av romfergen - Boosters

Eksplosjoner

fra satellitter eller øvre trinn - disse er forårsaket av bevisste detonasjoner, ved antennelse av gjenværende drivstoff fra øvre trinn og av fordampning av kryogene drivstoffkomponenter i øvre trinn der drivstoffrester fortsatt er igjen. Ekspansjonen av disse drivstoffene under fordampning kan sprenge de øvre trinnene. Eksplosjoner kan også utløses av utladninger i satellittenes batterier. Det antas at rundt 200 eksplosjoner har skjedd i bane siden romfart begynte.

Mordersatellitter

Satellitter som ble brukt under den kalde krigen - og sannsynligvis fremdeles i dag - spesielt for å nøytralisere fiendens spioneringssatellitter . Mest selvdestruktivt forårsaker en forsettlig kollisjon med målet, noen ganger ledsaget av en eksplosjon. Verken deres antall eller antallet ofre er offentlig kjent, ettersom både dem selv og deres mål er under strengeste militære hemmelighold.

banene med katalogiserte Fengyun-1C fragmenter en måned etter ASAT testen

Høydefordeling av fragmenter i LEO ifølge Fengyun-1C og kollisjonen i 2009

Antisatellitt-missiler (ASAT)

Bruken av disse våpnene kan kaste rusk som er opprettet ved ødeleggelse av satellitter (som Fengyun-1C ) til et bredt spekter av baner - inkludert de som når store høyder.

Romfartøyskollisjoner

Det handler ikke om riper forårsaket av mislykkede dockingmanøvrer, men om tilfeldige møter med høy relativ hastighet, i GEO vanligvis med 100 til 1000 m / s, men muligens også med 1,5 km / s (satellitt mot Hohmann-overføringstrinnet ), i LEO med typisk 10 km / s, som demonterer begge missilene. Eksempler er separasjonen av stabiliseringsmasten til Cerise- satellitten (utvidbar mast) av en eldre Ariane rakett øvre scene og den spektakulære satellittkollisjonen 10. februar 2009 , hvor over 2000 katalogiserte rusk og omtrent en halv million partikler over 1 mm ble opprettet.

Fortsatte kollisjoner

I 1978 spådde NASA-konsulent Donald J. Kessler scenariet kjent som Kesslers syndrom , ifølge hvilket mange større fragmenter ville bli dannet når små fragmenter og meteoroider traff , og søppelproblemet ville vokse i en akselerert hastighet, selv om det ikke var flere satellitter lanserte.

Overflatedegradasjon

Den ESA Romskrap teleskop ofte finnes skarpe gjenstander, hvis hurtig nedsynking i høy atmosfære, angir et meget høyt areal-til-masseforhold, opp til 30 m / kg. Det kan være varmebeskyttelsesfilm fra satellitter.

West Ford Dipoles

På begynnelsen av 1960-tallet skulle en diffus kule laget av mange millioner fine ledninger (18 mm × 0,018 mm) danne en reflektor for radiokommunikasjon. Isolering under utgivelsen var bare delvis vellykket; det dannet seg flak, hvorav et håndterbart antall fortsatt vandret rundt i en høyde på over 2500 km.

Solid fremdrift

generere aluminiumoksydpartikler i mikrometer størrelse under forbrenningsprosessen . På slutten av oppbrenningen kan det også dukke opp større slagggjenstander, hvis diameter kan nå flere centimeter.

Reaktor kjølevæske

fra rombaserte Buk-atomreaktorer fra sovjetiske spionatellitter i serien kjent i Vesten som RORSAT . I 16 av disse satellittene ble reaktorkjernen frastøtt etter at oppdraget var fullført, og frigjorde kjølevæsken til den primære kjølekretsen NaK -78 (ca. 8 kg hver). NaK ble distribuert i dråper av forskjellige størrelser på banene til RORSAT-satellittene. Imidlertid blir NaK i økende grad distribuert til andre veier på grunn av forskjellige stivforstyrrelser og rotasjonen av krysslinjen.

Brenning av rusk fra lave baner

Levetid i forskjellige høyder

Delene i lave baner blir bremset av gjenværende luftmotstand og til slutt brenner opp i atmosfæren . I høyere høyder avtar luftfriksjonen, slik at større gjenstander trenger tiår for å brenne seg opp fra 800 km høyde, men noen få tusen år fra 1500 km høyde. De fine ledningene til West Ford-prosjektet , så langt de ikke var klumpete, kom imidlertid tilbake innen få år fra en høyde på over 3500 km, beregnet med støtte fra solens strålingstrykk.

• 

  Livstidsdiagrammer av romfartøyer i svært elliptiske baner i forskjellige høyder.

• 

  Livstidsdiagrammer av romfartøyer i svakt elliptiske baner i forskjellige høyder.

Ettersom høydene på 800 km og 1500 km foretrekkes som baner, øker trusselen mot kommersiell og vitenskapelig romfart. Konsepter for hvordan du løser dette problemet mislykkes for øyeblikket på grunn av de tilknyttede kostnadene.

Eksempler på delvis utbrenthet

Med veldig store satellitter og spesielt med varmebestandige komponenter, kan det skje at disse delvis overlever gjeninntreden, og at noen svært tunge fragmenter når jorden. Eksempler inkluderer ROSAT med varmebestandige speil laget av glasskeramikk eller 5,9-tonns Upper Atmosphere Research Satellite .

aktiviteter

Forebyggende tiltak

For å unngå kollisjoner med deler av romavfallet, blir alle større partikler (fra 1 cm i størrelse) permanent sporet av ansvarlige NASA og militære observatorier. Hvis det oppdages et kollisjonskurs med ISS eller et annet manøvrerbart romfartøy, gjøres dette vanligvis tidlig nok (flere dager i forveien) til at dette romfartøyet kan igangsette en unnvikende manøver. Siden ISS uansett må bringes tilbake til en litt høyere bane, koster ikke dette noe ekstra drivstoff.

For å unngå romavfall i alle moderne raketter, blir stadiene i bane bremset igjen ved hjelp av en ekstra tenning, slik at de brenner opp i atmosfæren før eller senere. Den ESA foreslår å begrense tiden før gjeninnføring av virksomhets-relaterte objekter (MROs, se ovenfor ), avhengig av tverrsnittsarealet:

${\ displaystyle A \ cdot t <0 {,} 1 \, {\ text {m}} ^ {2} {\ text {y}}}$

• A - tverrsnittsareal
• t - brukstid

I øvre trinn, som går inn i høye baner og ikke kan generere tilstrekkelig bremsepulser, blir i det minste restene av drivstoffet brukt opp eller tappet for å forhindre en mulig eksplosjon. I februar 2021, etter nesten åtte års forhandlinger, ble dette gjort bindende av International Organization for Standardization i ISO 20893-standarden. Geostasjonære satellitter i seg selv blir ikke lenger brukt før drivstoffforsyningen er helt oppbrukt, men blir ført inn i en bane rundt kirkegården med en viss rest .

For å bremse den skredlignende økningen i antall små gjenstander forårsaket av kollisjon med større, er det blitt foreslått å fjerne minst større inaktive gjenstander. Ulike ideer er blitt foreslått hvordan man skal kaste flere objekter i et enkelt, langt oppdrag. Problematiske aspekter er samspillet med ukontrollerte roterende objekter og det store behovet for støttemasse for mange stiendringer.

Tiltak for å rydde opp i rusk

Selskapet ClearSpace.today ble grunnlagt i 2018 av ingeniør Luc Piguet som en spin-off fra EPFL i Lausanne . I desember 2019 bestemte ESAs ministerråd seg for å teste og utføre klarering av rusk fra 2025 med ClearSpace-1- oppdraget . Her skal en "jaktsatellitt" med fire mekaniske armer pakke et stykke romskrot av passende størrelse og deretter kaste seg sammen med gjenstanden i jordens atmosfære, hvor begge brenner opp. For dette formål bidro ESA med 90 millioner CHF til prosjektet, som forventes å koste rundt 120 millioner CHF totalt - for å kvitte seg med en enkelt avfallsbit.

Målinger

Romavfall kan oppdages fra bakken ved hjelp av optiske teleskoper eller radar. Noen radarer kan oppdage partikler i millimeterområdet i lave baner. Den nøyaktige målingen av baneparametrene og kontinuerlig sporing av objektene er bare mulig med diametre fra 5 cm i LEO og 50 cm i GEO. Banene til disse objektene blir kontinuerlig sporet av American Space Surveillance System, og deres baneelementer blir publisert i en objektkatalog. Denne katalogen inneholder for tiden rundt 13 000 objekter, men bare banedataene for rundt 9600 objekter er tilgjengelige for publikum. In-situ målinger er den eneste måten å bestemme populasjonen og bane parametrene til mindre partikler. Flere detektorkonsepter er allerede testet for dette formålet. De mest kjente europeiske detektorkonseptene er DEBIE-detektoren og GORID-detektoren (identisk med Galileo- og Ulysses-detektorer). Begge detektorene bestemmer slagenergien til en høyhastighets partikkel via sammensetningen av plasmaet som produseres av støtet. Elektronene og ionene i plasmaet skilles fra hverandre ved hjelp av elektriske felt, og den respektive spenningen måles ved hjelp av ladede nett. Formen og tidsforløpet til spenningspulsene kan brukes til å bestemme massen og hastigheten til den berørte partikkelen ved hjelp av kalibreringskurver registrert på bakken. I tillegg til den rene plasmamålingen, måler DEBIE-sensoren også støtpulsen via piezo-elementer, slik at det er et sammenligningssignal for plasmamålingen. En plan om å bruke Large Area Debris Collector (LAD-C) ved ISS for å fange og analysere rusk ble forlatt i 2007.

Tysk eksperimentell romovervåking og sporingsradar (GESTRA)

Det tyske luftfartssenteret (DLR) hadde utviklet GESTRA-romovervåkingsradaren for å overvåke romobjekter i en bane nær jorden. Måledataene som er innhentet blir ofte operert av DLR Space Management and Air Force in Uedem (Lower Rhine) Space Location Center behandlet. Systemet er planlagt å ta i bruk tidlig i 2021.

Langvarig eksponeringsanlegg (LDEF)

Den LDEF satellitt var et eksperiment designet for å studere de langsiktige virkningene av en plass miljø. Selv om det var planlagt å være mye kortere, forble satellitten i bane i nesten seks år før den ble gjenopprettet av STS-32 og brakt tilbake til jorden. Bortsett fra mye skade som bare var synlig mikroskopisk, var det også en som var synlig for det blotte øye. Etterforskningen av satellitten brakte mye informasjon om romrester og mikrometeoritter .

Kataloger

Katalogene om kunstige satellitter, for eksempel NORAD , er begrenset til intakte gjenstander. Rusk som skyldes brudd registreres i separate databaser for romrester. Den ene, i likhet med NORAD, vedlikeholdes av USSTRATCOM . Det er også grunnlaget for DISCOS- samlingen ( Database and Information System Characterizing Objects in Space ) fra ESA .

Se også

• Romskip kirkegård
• Romansvar
• Planetes - Japansk skjønnlitteratur mot bakgrunnen av romruskproblemet
• Inter-Agency Space Debris Coordination Committee
• Tyngdekraft (film)
• Fjern DEBRIS

litteratur

• Carsten Wiedemann, Peter Vörsmann, Heiner Klinkrad: En modell for romrusk . I: Stjerner og rom . Oktober 2005, s. 30-36.
• Paula H. Krisko: The Predicted Growth of the Low Earth Orbit Space Debris Environment: En vurdering av fremtidig risiko for romfartøy. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, del G: Journal of Aerospace Engineering, Vol. 221, 2007, doi: 10.1243 / 09544100JAERO192 ( online ).
• Wolfgang Rathgeber, Kai-Uwe Schrogl, Ray A. Williamson (red.): Fair and Responsible Use of Space: An International Perspective . Springer, Wien 2010, ISBN 978-3-211-99652-2 , begrenset forhåndsvisning i Googles boksøk .
• Michael W. Taylor: Orbital Debris - tekniske og juridiske problemer og løsninger. McGill University, Montreal 2006, abstrakt online (pdf, s. 121, åpnet 2. november 2009; 669 kB)
• P. Eichler, A. Bade: Fjerning av rusk fra bane. American Institute of Aeronautics and Astronautics 1990-1366, aiaa.org
• Orbital Debris Program Office (NASA): History of ON-Orbit Satellite Fragmentation 14. utgave juni 2008 History of ON-Orbit Satellite Fragmentation (pdf)
• Daniel Hampf, Leif Humbert, Thomas Dekorsy og Wolfgang Riede: Cosmic Garbage Dump . Physik Journal (DPG) 01/2018, s.31.

weblenker

Wiktionary: Space rusk  - forklaringer av betydninger, ordets opprinnelse, synonymer, oversettelser

• Spiegel Online: Frenzied-prosjektiler i verdensrommet
• NASA Orbital Debris Program Office
• Position Paper on Space Debris Mitigation International Academy of Astronautics 2005 (PDF, 1 MB åpnet 30. mars 2009)
• Space Debris Video 2005 bilder
• Sanntid 3D-kart over rusk
• Romavfall bringer romfart i fare

Individuelle bevis