211service.com
Hvordan verdens største pistol bidro til å løse et langvarig rommysterium
Store metallfragmenter kan ødelegge andre satellitter eller romfartøyer i bane, og øke frykten for en løpsk kjedereaksjon, kalt Kessler-syndromet Agnes Lopez
På en svulmende dag i august, i et vinduløst stripesenterkontor i Nord-sentrale Florida, hadde Rafael Carrasquilla og et dusin andre studenter kirurgiske hansker mens de plukket gjennom støvhauger med en pinsett. De jaktet på bittesmå fliser av karbonfiber som bare var millimeter lange, nesten usynlige for det blotte øye. Det var ingen ventilasjonsvifter, ingen nysing eller plutselige bevegelser ved laboratoriebenken.
Da de fant en, loggførte de utseendet til den i en database, pakket den inn, merket den og plasserte den blant titusenvis av andre møysommelig organisert i rekker av plastkasser.
Vinduer og dører er dekket for å utelukke naturlig lys, og holder fragmentfotografering konsekvent | Stripesenteret i Gainesville, Florida, huser DebriSat-karakteriseringsinnsatsen
I årevis ville arbeidere som jaktet på slike fragmenter, sette hver enkelt av dem forsiktig på en mikrovekt isolert fra rumlen fra forbipasserende lastebiler ved en tykk benkeplate i granitt. Gjennomsnittsvekten var omtrent 0,5 mikrogram - omtrent en hundredel av en menneskelig øyevippe. Disse fragmentene er så uvesentlige at selv små endringer i temperaturen kan skjeve resultatene, så arbeiderne lærte å vente noen minutter etter å ha kommet inn i rommet før de fortsetter med oppgaven, for å gi det luftkondisjonerte klimaet en sjanse til å stabilisere seg. Det er operatører som holder pusten med mikrobalansen slik at de ikke forårsaker en dårlig lesing, sier Carrasquilla. Til slutt gikk de videre fra å veie disse minste fragmentene, etter å ha katalogisert nok av dem til å forstå betydningen deres. Nå teller de alle nøye, men veier bare de større.
Carrasquilla leder fragmentkarakteriseringsinnsatsen for University of Florida, en del av et NASA-ledet eksperiment kalt DebriSat som startet i 2011 . DebriSat ble opprettet for å svare på et spørsmål: Hva skjer når et stykke orbital rusk smeller inn i en satellitt i tusenvis av miles per time? Hvis en slik kollisjon skjer i bane, er det umulig å holde styr på det resulterende kaoset. Den eneste måten å svare på det spørsmålet med selvtillit er å forårsake en katastrofal innvirkning i et laboratorium her nede på jorden, hvor forholdene kan kontrolleres nøye og resultatene omhyggelig katalogiseres.
Orbital rusk kommer i mange former og størrelser, fra fragmenter som ligner på de Carrasquillas gruppe analyserte til rakettforsterkere i full størrelse som er igjen i verdensrommet. I bane er selv miniatyrfragmenter i stand til å skade satellitter eller trenge gjennom romdrakter. Kinetisk energi øker med kvadratet av et objekts hastighet - og sammenstøt i bane skjer vanligvis med over 20 000 miles per time, slik at selv små karbonfibernåler kan forårsake skade. Den største risikoen for å avslutte oppdraget for operative romfartøyer kommer fra små, millimeterstore orbitale rusk, ikke store fete gjenstander, sier Jer Chyi JC Liou, NASAs sjefforsker for orbital rusk ved Johnson Space Center i Texas.
Når hvert fragment er veid, målt, beskrevet og fotografert, blir det pakket og arkivert Agnes Lopez
Men Lious datamodeller hadde en blind flekk når det kom til rusk. Simuleringer stemte ikke overens med bevis brakt tilbake fra bane av romfergen, eller det NASA så i ekte kollisjoner.
I januar 2007 ødela Kina med vilje en av sine egne Fengyun-værsatellitter ved hjelp av et anti-satellittmissil. Så i februar 2009 kolliderte en nedlagt russisk militærsatellitt fra Kosmos ved et uhell med en Iridium-kommunikasjonssatellitt høyt over Sibir. De to hendelsene skapte enorme fragmentskyer som tvang satellitter og den internasjonale romstasjonen til å utføre kollisjonsmanøvrer.
Fragmenter fra Kosmos stemte overens med spådommene våre, men Iridium og kinesisk [oppbrudd så] betydelig annerledes ut enn modellene våre, sier Liou. Antallet fragmenter var mye høyere enn vi spådde.
Noen av satellittavfallsfragmentene hentet ut av University of Florida-teamet Agnes Lopez
Hvis NASAs programvare undervurderte konsekvensene av banebrudd og kollisjoner, kan det være å sette byråets romfartøy – og eventuelle astronauter om bord – i reell fare.
NASA etablerte DebriSat-programmet for å komme til bunns i dette avviket, og ba Norman Fitz-Coy, lederen av University of Floridas Space Systems Research Group, om å designe en mock-up-satellitt, også kalt DebriSat. 15. april 2014 skjøt han den med verdens største pistol. Range G, som pistolen kalles, er gravlagt i en tunnel under en skog ved Arnold Air Force Base i Tennessee. Den ble bygget i 1963 og har blitt avfyrt tusenvis av ganger i våpenprøver. Tønnen ble forlenget til 192 fot (58,5 meter) i 2004.
Tønnen ligner et ufarlig rør: det ser mindre bemerkelsesverdig ut enn det er. Pistolen har to trinn. Det første trinnet bruker flere hundre pund med konvensjonelt krutt. Etter å ha blitt elektronisk antent eksploderer kruttet og akselererer et stempel ned på innsiden av røret. Fronten av stempelet danner en tetning med rørets vegger: når det akselererer til nesten 2000 mph, komprimerer det hydrogengass foran seg.
Til slutt bryter den høyt komprimerte gassen en holdeskive (etter design). Dette frigjør den innestengte energien til gassen for å skyte et prosjektil inn i målet med over 15 000 miles per time. Prosjektilet i DebriSat-testen var en spesialdesignet hul aluminiumssylinder dekket med nylon, omtrent på størrelse med en brusboks. Da den traff satellitten, skapte kollisjonen en raskt blomstrende ildkule som kastet en sky av små fragmenter inn i omkringliggende skumblokker, hvor de ble mykt fanget. Fitz-Coy husker at han kjente det fjerne kontrollrommet han var i rystelse i kollisjonsøyeblikket.
Skumblokkene ble deretter nøye pakket og sendt til stripesenteret i Gainesville, hvor Fitz-Coys team hadde etablert butikk. Deres oppgave var å trekke ut hvert fragment av satellitten som var større enn to millimeter fra blokkene. Fitz-Coy forventet å samle og analysere rundt 85 000 deler av metall, plast og glass og rapportere tilbake innen et år.
Fem år og 195 000 utvinninger senere gjenstår anslagsvis 100 000 fragmenter fortsatt å samles inn. Noen fragmenter er små og andre er store, men det store antallet antyder at hver kollisjon, eksplosjon og brudd i bane skaper langt mer rusk enn noen tidligere hadde innsett.
Før DebriSat trodde NASA at det var over 100 millioner gjenstander i millimeterskala som kretser rundt jorden, alle praktisk talt uoppdagelige, men alle kan ødelegge en satellitt eller punktere en romdrakt. Resultatene av DebriSat, sammen med annen NASA-forskning, antyder at dette estimatet drastisk underteller de minste fragmentene i verdensrommet – og den store risikoen de representerer.
Mens menneskeheten forbereder seg på å skyte opp flere tusen satellitter og dusinvis av nye mannskapsoppdrag i årene som kommer, må vi innse at mikroavfallet vi ikke kan se der oppe, uten tvil er enda farligere enn romsøppelet vi kan.
I 1978 publiserte NASA-forskerne Donald Kessler og Burton Cour-Palais et papir som advarte om at en kaskade av satellittkollisjoner kunne skape et kunstig asteroidebelte av rusk rundt jorden som ville hindre fremtidige oppskytinger, et fenomen som ble kalt Kessler-syndromet.
NASA anslår at det har vært over 250 betydelige rusk-forårsakende hendelser i bane siden 1961, hovedsakelig fra eksplosive oppløsninger av romfartøyer og rakettkropper. Avfall fra Iridium-Kosmos-kollisjonen og den kinesiske anti-satellitttesten for over et tiår siden utgjør fortsatt omtrent en tredjedel av alle objektene som er katalogisert i bane.
Men hvorfor fikk NASAs modeller riktig antall Kosmos-fragmenter, og de andre så feil?
En åpenbar forskjell var at det russiske Kosmos var betydelig eldre enn det andre romfartøyet. Liou mistenkte at satellittene Iridium og kinesiske Fengyun produserte et uventet stort antall fragmenter fordi de brukte karbonfiberkompositter og flerlags termisk isolasjon. Fragmenter av disse lette moderne materialene kan forfalle til atmosfæren raskere enn metaller (fragmenter av sammenlignbar størrelse har mindre treghet og er dermed mer utsatt for atmosfærisk luftmotstand), men det så ut til at det var mange, mange flere av dem.
NASAs eksisterende modell var basert på en test fra 1992, der en satellitt fra 1960 kalt Transit ble sprengt av den samme gigantiske pistolen i Tennessee. Men Transit var gammel, som Kosmos, med mer metall og mindre plast enn dagens satellitter. 1992-versjonen av pistolen var også mindre kraftig enn 2014-versjonen, og analysen av de resulterende fragmentene ble gjort på en tilfeldig måte. Selv om andre hyperhastighetstester har blitt utført før og siden, var Transit-testen den eneste gangen en flyklar satellitt ble sprengt på jorden. Dagens beste orbitale kollisjonsmodeller er fortsatt i stor grad basert på aldrende, ufullstendige data.
Risikoen ved å stole på unøyaktige modeller ble tydelig i 2014, da National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) la siste hånd på sin siste værsatellitt. Joint Polar Satellite System, eller JPSS-1, er en av de første satellittene i en 40-årig innsats på 19 milliarder dollar for å samle inn mengder data om skyer, overflatetemperaturer, atmosfæriske gasser og skogbranner for å forbedre aktualiteten og nøyaktigheten til prognoser i forkant av alvorlige værhendelser. Den vil også spore vulkanutbrudd, oppdage skogbranner og oppdage tidlige tegn på tørke.
NOAA ønsket naturligvis å sikre at JPSS-1, selv etter å ha kostet rundt 2 milliarder dollar, ville overleve i hele sin syvårige levetid. Som vanlig for store, dyre satellitter, utførte byggherrene en risikovurdering ved å bruke datamodeller fra tre separate byråer – NASA, European Space Agency og en uavhengig forskningsorganisasjon. Alle var mer eller mindre enige om trusselen fra mikrometeoroider og banerester større enn tre millimeter.
Men så ga Lious team ut en ny versjon av NASAs ingeniørmodell for orbital rusk. NOAA-forskerne kjørte tallene igjen, og forventet å se bare mindre endringer, og fikk en stygg overraskelse. Den nyeste programvaren var langt mer pessimistisk enn de tidligere modellene, og spådde at JPSS-1 kan oppleve opptil 160 ganger mer skade fra fragmenter en millimeter eller mindre. Mens den forrige versjonen har gitt JPSS-1s drivmiddeltank en 1 % sjanse for å lide av et oppdrag som avslutter sammenstøt, var det nå en uakseptabel 26 % risiko for katastrofe.
Risikoen hadde økt fordi den nye programvaren nå inkluderte data fra det eneste NASA-instrumentet som faktisk, om ufrivillig, hadde samplet mikrometeoroid- og orbitalavfall i lav jordbane. Romfergen kjørte hansken av baneavfall i nesten 30 år, og samlet alle slags fliser, støt og små hull fra hyperhastighetspåvirkninger i løpet av dens tid. Fra 1992 til skyttelens pensjonering i 2011, ble vinduene og radiatorene undersøkt i detalj for skader fra banerester. Den store overraskelsen var at forskere fant over 2600 nedslagskratre på nettopp disse overflatene, tilsvarende over 10 ganger flere fragmenter i millimeterskala enn forventet.
Påvirkningsdata på stedet fra skyttlene er fortsatt de beste NASA har. (Det amerikanske flyvåpenets X37B ubemannede romfly samlet sannsynligvis lignende data under sine hemmelige flerårige oppdrag, som forblir klassifisert.) Men kilden til det lille rusket var et mysterium. Noe genererte enorme mengder av det i lav jordbane, og ingen visste hva det var eller hvordan det skjedde.
NASAs DebriSat-test, som lovet å avsløre noen av mysteriene rundt samlivsbrudd og kollisjoner, virket plutselig enda viktigere. Men først må Fitz-Coy designe og konstruere en så realistisk satellitt som JPSS-1, på en liten brøkdel av NOAAs budsjett.
Vi gikk i bunn og grunn gjennom den samme prosessen man ville tatt hvis man skulle bygge en ekte satellitt, sier han. Vi hadde all maskinvaren, kablingen, elektronikken og optikken om bord – alt bortsett fra programvaren.
Noen av de billigere komponentene, som en treghetsmåleenhet og et reaksjonshjul, ble donert av produsenter. For dyrere maskinvare, som presisjonsstjernesporere, lånte teamet til Fitz-Coy en prøve og bygde en så nær kopi som de kunne. Ingenting trengs for å faktisk fungere; det måtte bare ha de riktige materialene på de rette stedene.
Fitz-Coy visste at med NASAs begrensede budsjett for dyre ruskprøver, kan DebriSat være det siste bruddeksperimentet på ytterligere 20 eller 30 år. Så han prøvde å forutse hvordan satellitter ville bli bygget i fremtiden. For eksempel var batteriet vi valgte litium-polymer i stedet for et typisk nikkel-kadmium, sier han. Satellitten vil også inneholde flerlagsisolasjon, utplasserbare solcellepaneler og karbonfiberstrukturelementer som finnes på praktisk talt alle nye satellitter større enn cubesats.
NASA returnerte til Range G for eksperimentet, og dekket nesten hver kvadratcentimeter av eksplosjonskammeret med lag med fargekodede skumpaneler, og økte i tetthet for å fange stadig flere energiske fragmenter. Før-og-etter-bilder av eksperimentet viser at den hypersoniske eksplosjonen hadde forvandlet det pene testkammeret på Arnold til et kaotisk rot av ødelagt skum og hengende kabler. Fitz-Coys satellitt så ut til å ha forsvunnet.
Da de første skumpanelene ankom Gainesville, var noen stort sett intakte, mens andre hadde splintret i stykker. De ble røntgenfotografert og de resulterende bildene ble sydd sammen, kjørt gjennom en gjenstandsdeteksjonsalgoritme og projisert tilbake på det fysiske panelet. Elevene satte inn pinner i skummet der fremspringet indikerte at fragmenter lå på lur. Røntgenbildene kunne identifisere hvor fragmentene var, men lite annet om dem.
Hvert skumpanel forkullet av DebriSat-eksplosjonen har en unik kode, som beskriver hvor i sprengningskammeret det kom fra. Agnes Lopez
Så kom pinsetten ut. Det er nøyaktig samme manuelle oppgave som en arkeolog utfører på en utgraving, sier Fitz-Coy. De går inn og graver forsiktig rundt ting slik at de ikke skader gjenstanden.
Sakte dukket det opp små former fra det svarte, sprø materialet. De fleste var små nåler av karbonfiber eller umerkelige metallflak. Noen ganger dukket det opp en gjenkjennelig skrue eller fragment av kretskortet. Uansett hvilken form de tok, skrev en arbeider fragmentets skumpanelkoordinater på en plastpose og senket den forsiktig ned.
Neste trinn var å karakterisere fragmentet. Ved hjelp av et mikroskop matchet elevene det til ett av 15 kjente materialer, seks former og 13 farger (komponentene ble anodisert i forskjellige nyanser for å begrense hvert fragments opprinnelse).
Deretter ble bitene veid og fotografert. Mens flate fragmenter fikk et normalt digitalt bilde, ble større biter plassert i en 3D-bilderigg som bruker seks kompaktkameraer, en platespiller med grønn skjerm og en dedikert datamaskin.
Materiale, form og tetthet er alle viktige opplysninger for å bedre forstå utfallet av ethvert romfartøy som blir påvirket av banerester, sier Liou. Se for deg et lite stykke rusk som treffer rakettens drivmiddeltank i 10 kilometer i sekundet [over 22 000 miles per time]. Du vil vite massen og om den er rustfritt stål eller et stykke plast.
Å samle all denne informasjonen tar tid: rundt tre minutter å visuelt inspisere et fragment, fire for å veie det, fem for å ta et 2D-bilde, og opptil en halvtime å ta, behandle og laste opp hvert 3D-bilde. Til slutt må dataene for hvert fragment verifiseres manuelt for nøyaktighet, noe som tar ytterligere 15 minutter i gjennomsnitt. Fitz-Coy understreker at DebriSat er like mye et stordataprosjekt som et ingeniørprosjekt – prosjektets servere har for tiden over 40 terabyte med data.
Hver skumplate vil bli røntgenfotografert for å finne fragmenter som sitter inne. DebriSat-teamet anslår at over 100 000 fragmenter gjenstår å samle inn. Agnes Lopez
Inntil nylig vurderte studenter fra University of Florida hvert fragment etter hvert som det ble gjenfunnet. Det innebar for det meste måling av små fragmenter av karbonfiber, som utgjør nesten to tredjedeler av alle de 67 000 fragmentene som er behandlet til dags dato.
Til slutt, etter at størrelsen på oppgaven hadde blitt åpenbar, endret prosjektets prioriteringer. Opprinnelig hadde NASA bedt om en beskrivelse av hvert enkelt fragment større enn to millimeter. Men i sommer bestemte DebriSat-teamet seg for å fokusere på fragmenter 10 centimeter eller større. Mindre fragmenter vil bli talt, men ikke analysert. Statistisk sett har vi alt vi trenger på karbonfibernålene, sier Fitz-Coy.
Det vil gjøre teamet hans i stand til å nå målet om å karakterisere 90 % av målsatellittens masse raskere, og dermed akselerere utviklingen av en ny satellittoppløsningsmodell hos NASA. Å konsentrere seg om slike heftige metallbiter ser ut til å være fornuftig. Dette er fragmenter som er større enn DebriSats aluminiumskule – store nok til å true bemannede romfartøyer, store nok til å utløse snakk om Kessler-syndromet, og store nok til at satellittoperatører kan oppdage, spore og unngå. Men det store antallet mindre fragmenter der ute er fortsatt et problem i seg selv.
US Space Surveillance Network, som drives av Pentagon, bruker radar til å spore alt som er større enn 10 centimeter som sirkler rundt jorden, helt ut til geostasjonære avstander – en tidel av veien til månen. Dette er mye høyere enn banene der de fleste satellitter befinner seg. MITs Haystack- og Millstone Hill-radarer i Massachusetts kan oppdage fragmenter større enn fem millimeter i disse lave jordbanene, og NASAs Goldstone-radar i California er i stand til å oppdage alt som er større enn tre millimeter. Haystack og Goldstone gir bare et glimt av hvor mange mindre fragmenter som er der oppe - men de kan ikke holde styr på banene sine. Og for rusk som er mindre enn tre millimeter i størrelse, eksisterer det rett og slett ikke fjerndeteksjonsmetoder.
NASA vet fortsatt ikke sikkert hvor alt mikroavfallet som pepret skyttelen kom fra. I en ingeniørsikkerhetsrapport fra 2015 utelukket byrået kollisjoner og sammenbrudd i bane som kilde, selv om det var før de nye dataene fra DebriSat-testen. I den rapporten konkluderte byrået med at hvert romfartøy i bane må utsettes for jevn erosjon fra rusk i millimeterskala og meteoroider som kontinuerlig påvirker satellitter og fliser av flere like små fragmenter. Kessler-syndromet, ser det ut til, har vært med oss i flere tiår – bare i en skala for liten til å se.
Takket være megakonstellasjoner av satellitter fra slike som SpaceX, Amazon og OneWeb, er menneskeheten satt til å øke antallet satellitter i lav bane rundt jorden med en faktor på 25 i løpet av de neste årene. Med nye radarer, god koordinering og en god del flaks, kan morgendagens satellitter kanskje unngå de største delene av rusk. Men mengden rusk som er for liten til å spore, kommer bare til å vokse. Spørsmålet er bare om dette vil skje plutselig, noe det vil skje hvis det er flere kollisjoner som krasj i 2007 og 2009, eller gradvis, ettersom eksisterende rusk slår biter fra det økende antallet satellitter.
Satellitter og romfartøyer må fly gjennom denne banetåken. NOAAs løsning for JPSS-1 var å styrke skjermingen rundt drivmiddeltanken og bare håpe at den delikate vitenskapelige nyttelasten ville være heldig over satellittens flerårige oppdrag. Det er ikke alltid mulig, sier Hugh Lewis, en romskrotekspert ved University of Southampton i Storbritannia. Lewis er en del av et tverrfaglig europeisk prosjekt som prøver å komme opp med nye avbøtende teknikker, for eksempel lettvekts 3D-printet skjerming spesielt designet for å beskytte mot mikrorester. Skjerming har en tendens til å tilføre ganske mye masse og volum, sier han. Du kan også legge sårbare eller viktige komponenter dypere inn i romfartøyet og beskytte dem med mindre viktige. Men å endre konfigurasjonen av romfartøy er ikke nødvendigvis et billig eller enkelt alternativ.
Over 195 000 fragmenter har blitt ekstrahert til dags dato, fra små karbonfibernåler til gjenkjennelige elektroniske komponenter Agnes Lopez
Romorganisasjoner og satellittoperatører trenger også bedre datamodeller for forhold og kollisjoner i bane. JC Liou sier at DebriSat-dataene ikke vil begynne å forbedre NASAs bruddmodell før om tre år. Moriba Jah, en førsteamanuensis i romfartsteknikk ved University of Texas i Austin, sier eksperimenter som DebriSat er både essensielle og naive: Det er ingenting bedre enn de virkelige dataene du får fra å sprenge noe, [men] du vil aldri være i stand til å sprenge nok til å få en veldig god statistisk forståelse av hvordan disse tingene går i stykker.
I mellomtiden går DebriSat-målingene sakte, og gir arbeid til enda en gruppe studenter. Vi kunne fortsette i fem år til, eller 10, sier Rafael Carrasquilla. Fitz-Coy sier at DebriSats nåværende frist er 2022, selv om den ikke engang har finansiering så langt unna.
De har telt brikker for alltid, men vi må ha disse dataene i går, sier Jah. Med tidlige data fra Gainesville sildret ut, blir noe vitenskap allerede gjort. Joshua Miller, en romfartsingeniør ved University of Texas i El Paso, publiserte en kort artikkel i et NASA-tidsskrift i desember 2018 og så på karbonfiberflakene og nålene DebriSat oppdaget. Han fant ut at uregelmessig formet karbonfiberavfall lettere kunne trenge gjennom skjerming som den som ble brukt av den internasjonale romstasjonen enn tidligere modeller, som kun vurderte sfæriske partikler.
Elevene trekker ut fragmenter fra skumplatene ved hjelp av en pinsett. Agnes Lopez
DebriSat er aldri nøyaktig i kontanter. DebriSat står nå overfor en usikker fremtid med aldrende teknologi. Den originale røntgenmaskinen brøt sammen for to år siden, og ingen skumpaneler har blitt røntgenfotografert i Florida siden. Fitz-Coy håper at en enhet som er gjenbrukt fra å skanne bagasje på flyplasser vil få prosessen tilbake på sporet. Vi får det her og se om det fungerer, sier han. Det kan eller ikke. Fingrene krysset.
Uansett har DebriSat-prosjektet allerede vist seg for viktig til å kanselleres. Etter at røntgenmaskinen sviktet, skåret Carrasquillas team på et tidspunkt forsiktig vekk hele skumpaneler uten å vite hva som var inni. Det er behov for dataene, og vi ønsker å få det ut så raskt vi kan, sier Fitz-Coy. Men alt her er tidkrevende. Til tross for vår beste innsats, er det bare oppgavens natur.