Sinds de jaren zestig sturen NASA en andere ruimteagentschappen steeds meer spullen in een baan om de aarde. Tussen de verbruikte stadia van raketten, verbruikte boosters en satellieten die sindsdien inactief zijn geworden, is er geen tekort aan kunstmatige objecten die daarboven zweven. In de loop van de tijd heeft dit het aanzienlijke (en groeiende) probleem van ruimtepuin gecreëerd, dat een ernstige bedreiging vormt voor het International Space Station (ISS), actieve satellieten en ruimtevaartuigen.
Terwijl de grotere stukken puin - variërend van 5 cm (2 inch) tot 1 meter (1,09 yards) in diameter - regelmatig worden gecontroleerd door NASA en andere ruimteagentschappen, zijn de kleinere stukken niet detecteerbaar. Gecombineerd met hoe vaak deze kleine stukjes puin voorkomen, worden objecten van ongeveer 1 millimeter groot een serieuze bedreiging. Om dit aan te pakken, vertrouwt het ISS op een nieuw instrument dat bekend staat als de Space Debris Sensor (SDS).
Deze gekalibreerde impactsensor, die aan de buitenkant van het station is gemonteerd, bewaakt de impact veroorzaakt door kleinschalig ruimteafval. De sensor werd in september in het ISS opgenomen, waar hij de effecten de komende twee tot drie jaar zal volgen. Deze informatie zal worden gebruikt om de omgeving van het orbitale puin te meten en te karakteriseren en om ruimteagentschappen te helpen aanvullende tegenmaatregelen te ontwikkelen.
Met afmetingen van ongeveer 1 vierkante meter (~ 10,76 ft²), is de SDS gemonteerd op een externe payload-site die is gericht op de snelheidsvector van de ISS. De sensor bestaat uit een dunne voorlaag van Kapton - een polyimidefilm die stabiel blijft bij extreme temperaturen - gevolgd door een tweede laag die zich 15 cm daarachter bevindt. Deze tweede Kapton-laag is uitgerust met akoestische sensoren en een raster van resistieve draden, gevolgd door een sensored embedded backstop.
Met deze configuratie kan de sensor de grootte, snelheid, richting, tijd en energie meten van elk klein vuil waarmee het in aanraking komt. Terwijl de akoestische sensoren de tijd en locatie van een doordringende impact meten, meet het raster veranderingen in weerstand om grootteschattingen van het impactor te geven. De sensoren in de backstop meten ook het gat dat door een impactor is gemaakt, dat wordt gebruikt om de snelheid van de impactor te bepalen.
Deze gegevens worden vervolgens onderzocht door wetenschappers van de White Sands Test Facility in New Mexico en van de University of Kent in het VK, waar hypervelocity-tests worden uitgevoerd onder gecontroleerde omstandigheden. Zoals Dr. Mark Burchell, een van de mede-onderzoekers en medewerkers aan de SDS van de University of Kent, via e-mail aan Space Magazine vertelde:
“Het idee is een apparaat met meerdere lagen. Je krijgt een tijd als je door elke laag gaat. Door signalen in een laag te trianguleren krijg je positie in die laag. Dus twee keer en posities geven een snelheid ... Als je de snelheid en richting kent, kun je de baan van het stof krijgen en dat kan je vertellen of het waarschijnlijk uit de verre ruimte (natuurlijk stof) komt of in een vergelijkbare baan om de aarde als satellieten, dus waarschijnlijk is er puin. Dit alles in realtime omdat het elektronisch is. ”
Deze gegevens zullen de veiligheid aan boord van het ISS verbeteren door wetenschappers in staat te stellen de risico's van botsingen te volgen en nauwkeurigere schattingen te genereren van hoe kleinschalig puin in de ruimte bestaat. Zoals opgemerkt, worden de grotere stukken puin in een baan om de aarde regelmatig gecontroleerd. Deze bestaan uit de ongeveer 20.000 objecten die ongeveer zo groot zijn als een honkbal, en nog eens 50.000 die ongeveer zo groot zijn als een knikker.
Het SDS is echter gericht op objecten met een diameter tussen 50 micron en 1 millimeter, een aantal in de miljoenen. Hoewel deze objecten klein zijn, bewegen ze met snelheden van meer dan 28.000 km / h (17.500 mph), maar ze kunnen nog steeds aanzienlijke schade aan satellieten en ruimtevaartuigen veroorzaken. Door een idee te krijgen van deze objecten en hoe hun populatie in realtime verandert, zal NASA kunnen bepalen of het probleem van orbitaal puin erger wordt.
Weten hoe de puinensituatie daar is, is ook intrinsiek om manieren te vinden om deze te verzachten. Dit komt niet alleen van pas als het gaat om operaties aan boord van het ISS, maar de komende jaren wanneer het Space Launch System (SLS) en de Orion-capsule de ruimte in gaan. Zoals Burchell heeft toegevoegd, zal weten hoe waarschijnlijk botsingen zullen zijn en welke soorten schade ze kunnen veroorzaken, helpen het ontwerp van ruimtevaartuigen te informeren, vooral als het gaat om afscherming.
"Als je het gevaar kent, kun je het ontwerp van toekomstige missies aanpassen om ze tegen stoten te beschermen, of je bent overtuigender wanneer je satellietfabrikanten vertelt dat ze in de toekomst minder afval moeten maken", zei hij. "Of je weet of je oude satellieten / rommel echt moet verwijderen voordat het uiteenvalt en de baan om de aarde overspoelt met kleine mm-deeltjes."
Dr. Jer Chyi Liou is naast co-onderzoeker op het SDS ook de NASA Chief Scientist voor Orbital Debris en de Programmamanager voor het Orbital Debris Program Office in het Johnson Space Center. Zoals hij via e-mail aan Space Magazine uitlegde:
'De objecten van de millimeter grote puin vertegenwoordigen de hoogste penetratierisico voor de meeste operationele ruimtevaartuigen in een lage baan om de aarde (LEO). De SDS-missie heeft twee doelen. Ten eerste zal het SDS nuttige gegevens verzamelen over kleine brokstukken op ISS-hoogte. Ten tweede zal de missie de mogelijkheden van het SDS demonstreren en NASA in staat stellen om missiekansen te zoeken om in de toekomst directe meetgegevens te verzamelen over millimetergrootte op grotere LEO-hoogten - gegevens die nodig zijn voor betrouwbare impacteffectbeoordelingen en kosten van orbitaal puin -effectieve mitigatiemaatregelen om toekomstige ruimtemissies in LEO beter te beschermen. "
De resultaten van dit experiment bouwen voort op eerdere informatie verkregen door het Space Shuttle-programma. Toen de shuttles naar de aarde terugkeerden, inspecteerden teams van ingenieurs hardware die botsingen onderging om de grootte en botssnelheid van puin te bepalen. Het SDS valideert ook de levensvatbaarheid van impactsensortechnologie voor toekomstige missies op grotere hoogte, waar de risico's van puin voor ruimtevaartuigen groter zijn dan op ISS-hoogte.
