Seit den 1960er Jahren schicken die NASA und andere Weltraumagenturen immer mehr Dinge in den Orbit. Zwischen den verbrauchten Stadien von Raketen, verbrauchten Boostern und Satelliten, die seitdem inaktiv geworden sind, gab es keinen Mangel an künstlichen Objekten, die dort oben schwebten. Dies hat im Laufe der Zeit zu einem erheblichen (und wachsenden) Problem von Weltraummüll geführt, das eine ernsthafte Bedrohung für die Internationale Raumstation (ISS), aktive Satelliten und Raumfahrzeuge darstellt.
Während die größeren Trümmerstücke mit einem Durchmesser von 5 cm bis 1 Meter regelmäßig von der NASA und anderen Weltraumagenturen überwacht werden, sind die kleineren nicht nachweisbar. In Kombination mit der Häufigkeit dieser kleinen Trümmerteile sind Objekte mit einer Größe von etwa 1 Millimeter eine ernsthafte Bedrohung. Um dies zu beheben, setzt die ISS auf ein neues Instrument, den Space Debris Sensor (SDS).
Dieser kalibrierte Aufprallsensor, der an der Außenseite der Station angebracht ist, überwacht Stöße, die durch kleine Weltraummüll verursacht werden. Der Sensor wurde bereits im September in die ISS integriert, wo er die Auswirkungen für die nächsten zwei bis drei Jahre überwachen wird. Diese Informationen werden verwendet, um die Umgebung von Trümmern in der Umlaufbahn zu messen und zu charakterisieren und Raumfahrtagenturen bei der Entwicklung zusätzlicher Gegenmaßnahmen zu unterstützen.
Mit einer Größe von etwa 1 Quadratmeter (~ 10,76 ft²) ist das Sicherheitsdatenblatt an einer externen Nutzlaststelle montiert, die dem Geschwindigkeitsvektor der ISS zugewandt ist. Der Sensor besteht aus einer dünnen vorderen Schicht aus Kapton - einem Polyimidfilm, der bei extremen Temperaturen stabil bleibt - gefolgt von einer zweiten Schicht, die sich 15 cm dahinter befindet. Diese zweite Kapton-Schicht ist mit akustischen Sensoren und einem Gitter aus Widerstandsdrähten ausgestattet, gefolgt von einer sensorisch eingebetteten Rücklaufsperre.
Mit dieser Konfiguration kann der Sensor die Größe, Geschwindigkeit, Richtung, Zeit und Energie kleiner Schmutzpartikel messen, mit denen er in Kontakt kommt. Während die akustischen Sensoren die Zeit und den Ort eines durchdringenden Aufpralls messen, misst das Gitter Änderungen des Widerstands, um Größenschätzungen des Impaktors bereitzustellen. Die Sensoren in der Rücklaufsperre messen auch das von einem Impaktor erzeugte Loch, mit dem die Geschwindigkeit des Impaktors bestimmt wird.
Diese Daten werden dann von Wissenschaftlern der White Sands Test Facility in New Mexico und der University of Kent in Großbritannien untersucht, wo Hypervelocity-Tests unter kontrollierten Bedingungen durchgeführt werden. Dr. Mark Burchell, einer der Co-Ermittler und Mitarbeiter des SDS der University of Kent, sagte dem Space Magazine per E-Mail:
„Die Idee ist ein mehrschichtiges Gerät. Sie erhalten eine Zeit, wenn Sie durch jede Schicht gehen. Durch Triangulieren von Signalen in einer Ebene erhalten Sie eine Position in dieser Ebene. Also zweimal und Positionen geben eine Geschwindigkeit ... Wenn Sie die Geschwindigkeit und Richtung kennen, können Sie die Umlaufbahn des Staubes ermitteln. Dies kann Ihnen sagen, ob er wahrscheinlich aus dem Weltraum stammt (natürlicher Staub) oder sich in einer ähnlichen Erdumlaufbahn wie Satelliten befindet, also wahrscheinlich Trümmer. All dies in Echtzeit, da es elektronisch ist. “
Diese Daten verbessern die Sicherheit an Bord der ISS, indem sie es Wissenschaftlern ermöglichen, das Kollisionsrisiko zu überwachen und genauere Schätzungen darüber zu erstellen, wie kleine Trümmer im Weltraum vorhanden sind. Wie bereits erwähnt, werden die größeren Trümmerstücke im Orbit regelmäßig überwacht. Diese bestehen aus ungefähr 20.000 Objekten, die ungefähr die Größe eines Baseballs haben, und weiteren 50.000 Objekten, die ungefähr die Größe eines Marmors haben.
Das Sicherheitsdatenblatt konzentriert sich jedoch auf Objekte mit einem Durchmesser zwischen 50 Mikrometern und 1 Millimeter, die in Millionenhöhe liegen. Obwohl winzig, bedeutet die Tatsache, dass sich diese Objekte mit einer Geschwindigkeit von über 28.000 km / h bewegen, dass sie Satelliten und Raumfahrzeugen immer noch erheblichen Schaden zufügen können. Durch die Möglichkeit, ein Gefühl für diese Objekte zu bekommen und zu sehen, wie sich ihre Population in Echtzeit verändert, kann die NASA feststellen, ob sich das Problem der Trümmer in der Umlaufbahn verschlimmert.
Zu wissen, wie die Trümmersituation dort oben ist, ist auch wichtig, um Wege zu finden, sie zu mildern. Dies wird nicht nur nützlich sein, wenn es um Operationen an Bord der ISS geht, sondern auch in den kommenden Jahren, wenn das Space Launch System (SLS) und die Orion-Kapsel in den Weltraum fliegen. Wie Burchell hinzufügte, hilft das Wissen darüber, wie wahrscheinlich Kollisionen sein werden und welche Arten von Schäden sie verursachen können, das Design von Raumfahrzeugen - insbesondere was die Abschirmung betrifft.
"Sobald Sie die Gefahr kennen, können Sie das Design zukünftiger Missionen anpassen, um sie vor Stößen zu schützen, oder Sie sind überzeugender, wenn Sie Satellitenherstellern sagen, dass sie in Zukunft weniger Schmutz erzeugen müssen", sagte er. "Oder Sie wissen, ob Sie wirklich alte Satelliten / Müll loswerden müssen, bevor er zerbricht und die Erdumlaufbahn mit kleinen mm-Trümmern überschüttet."
Dr. Jer Chyi Liou ist nicht nur Co-Ermittler des SDS, sondern auch Chefwissenschaftler der NASA für Orbital Debris und Programmmanager des Orbital Debris Program Office im Johnson Space Center. Wie er dem Space Magazine per E-Mail erklärte:
„Die millimetergroßen Orbitalabfallobjekte repräsentieren die höchstes Penetrationsrisiko für die Mehrheit der operativen Raumfahrzeuge in der erdnahen Umlaufbahn (LEO). Die SDS-Mission wird zwei Zwecken dienen. Zunächst sammelt das Sicherheitsdatenblatt nützliche Daten zu kleinen Trümmern in der Höhe der ISS. Zweitens wird die Mission die Fähigkeiten des Sicherheitsdatenblatts demonstrieren und es der NASA ermöglichen, nach Missionsmöglichkeiten zu suchen, um in Zukunft direkte Messdaten für millimetergroße Trümmer in höheren LEO-Höhen zu sammeln - Daten, die für zuverlässige Risikobewertungen und Kosten für die Auswirkungen von Trümmern in der Umlaufbahn benötigt werden -wirksame Minderungsmaßnahmen zum besseren Schutz künftiger Weltraummissionen in LEO. “
Die Ergebnisse dieses Experiments bauen auf früheren Informationen des Space-Shuttle-Programms auf. Als die Shuttles zur Erde zurückkehrten, inspizierten Ingenieurteams Hardware, bei der Kollisionen auftraten, um die Größe und Aufprallgeschwindigkeit von Trümmern zu bestimmen. Das Sicherheitsdatenblatt validiert auch die Realisierbarkeit der Aufprallsensortechnologie für zukünftige Missionen in höheren Lagen, in denen das Risiko von Trümmern für Raumfahrzeuge größer ist als in der Höhe der ISS.
