Sedan 1960-talet, NASA och andra rymdorganisationer har skickat mer och mer saker i omloppsbana. Mellan de förbrukade stadierna av raketer, förbrukade boosters, och satelliter som sedan har blivit inaktiva, det har inte funnits någon brist på konstgjorda föremål som flyter där uppe. Över tid, detta har skapat det betydande (och växande) problemet med rymdskräp, som utgör ett allvarligt hot mot den internationella rymdstationen (ISS), aktiva satelliter och rymdfarkoster.

Medan de större skräpbitarna – från 5 cm (2 tum) till 1 meter (1,09 yards) i diameter – övervakas regelbundet av NASA och andra rymdorganisationer, de mindre bitarna går inte att upptäcka. I kombination med hur vanliga dessa små skräpbitar är, detta gör föremål som mäter cirka 1 millimeter i storlek till ett allvarligt hot. För att ta itu med detta, ISS förlitar sig på ett nytt instrument som kallas Space Debris Sensor (SDS).

Denna kalibrerade stötsensor, som är monterad på utsidan av stationen, övervakar effekter som orsakas av småskaligt rymdskräp. Sensorn införlivades i ISS redan i september, där den kommer att övervaka effekterna under de kommande två till tre åren. Denna information kommer att användas för att mäta och karakterisera den orbitala skräpmiljön och hjälpa rymdorganisationer att utveckla ytterligare motåtgärder.

Mäter cirka 1 kvadratmeter (~10,76 ft²), SDS är monterad på en extern nyttolastplats som är vänd mot hastighetsvektorn för ISS. Sensorn består av ett tunt främre lager av Kapton – en polyimidfilm som förblir stabil vid extrema temperaturer – följt av ett andra lager placerat 15 cm (5,9 tum) bakom den. Detta andra Kapton-skikt är utrustat med akustiska sensorer och ett rutnät av resistiva ledningar, följt av en sensorinbäddad backspärr.

Denna konfiguration låter sensorn mäta storleken, fart, riktning, tid, och energi från alla små skräp den kommer i kontakt med. Medan de akustiska sensorerna mäter tiden och platsen för en penetrerande stöt, rutnätet mäter förändringar i motstånd för att ge storleksuppskattningar av stötkroppen. Sensorerna i backspärren mäter också hålet som skapats av en stötkropp, som används för att bestämma slagkroppens hastighet.

Dessa data undersöks sedan av forskare vid White Sands Test Facility i New Mexico och vid University of Kent i Storbritannien, där hyperhastighetstester utförs under kontrollerade förhållanden. Som Dr Mark Burchell, en av medutredarna och samarbetspartnerna på SDS från University of Kent, sa till Universe Today via e-post:

"Idén är en flerlagersenhet. Du får en tid när du passerar genom varje lager. Genom att triangulera signaler i ett lager får du position i det lagret. Så två tider och positioner ger en hastighet... Om du vet hastigheten och riktningen du kan få stoftets omloppsbana och som kan berätta om det sannolikt kommer från rymden (naturligt damm) eller befinner sig i en liknande jordbana som satelliter, så är det troligen skräp. Allt detta i realtid eftersom det är elektroniskt."

Dessa data kommer att förbättra säkerheten ombord på ISS genom att tillåta forskare att övervaka riskerna för kollisioner och generera mer exakta uppskattningar av hur småskaligt skräp finns i rymden. Som noterat, de större skräpbitarna i omloppsbana övervakas regelbundet. Dessa består av de cirka 20, 000 föremål som är ungefär lika stora som en baseboll, och ytterligare 50, 000 som är ungefär lika stora som en kula.

Dock, SDS är fokuserat på föremål som är mellan 50 mikron och 1 millimeter i diameter, som uppgår till miljoner. Även om den är liten, det faktum att dessa föremål rör sig med hastigheter över 28, 000 km/h (17, 500 mph) betyder att de fortfarande kan orsaka betydande skador på satelliter och rymdfarkoster. Genom att kunna få en känsla av dessa objekt och hur deras befolkning förändras i realtid, NASA kommer att kunna avgöra om problemet med orbitalskräp blir värre.

Att veta hur skräpsituationen är där uppe är också inneboende för att hitta sätt att mildra den. Detta kommer inte bara till nytta när det kommer till operationer på ISS, men under de kommande åren när Space Launch System (SLS) och Orion-kapseln tar till rymden. Som Burchell tillade, att veta hur troliga kollisioner kommer att vara, och vilken typ av skada de kan orsaka, kommer att hjälpa till att informera rymdfarkosters design – särskilt när det gäller skärmning.

"[När du känner till faran kan du justera utformningen av framtida uppdrag för att skydda dem från stötar, eller så är du mer övertygande när du säger till satellittillverkare att de måste skapa mindre skräp i framtiden, ", sa han. "Eller du vet om du verkligen behöver bli av med gamla satelliter/skräp innan det går sönder och överöser jordens omloppsbana med skräp i små mm skala."

Dr Jer Chyi Liou, förutom att vara en medutredare på SDS, är också NASA:s chefsforskare för orbital Debris och programchef för Orbital Debris Program Office vid Johnson Space Center. Som han förklarade för Universe Today via e-post:

"De millimeterstora orbitala skräpobjekten representerar den högsta penetrationsrisken för majoriteten av operativa rymdfarkoster i låg omloppsbana om jorden (LEO). SDS-uppdraget kommer att tjäna två syften. För det första, SDS kommer att samla in användbar data om små skräp på ISS-höjden. Andra, uppdraget kommer att demonstrera förmågan hos SDS och göra det möjligt för NASA att söka uppdragsmöjligheter för att samla in direkta mätdata på millimeterstort skräp på högre LEO-höjder i framtiden – data som kommer att behövas för tillförlitliga bedömningar av omloppsrester och kostnadseffektiva risker. begränsningsåtgärder för att bättre skydda framtida rymduppdrag i LEO."

Resultaten från detta experiment bygger på tidigare information från rymdfärjans program. När skyttlarna återvände till jorden, team av ingenjörer inspekterade hårdvara som genomgick kollisioner för att fastställa skräpets storlek och kollisionshastighet. SDS validerar också genomförbarheten av stötsensorteknologi för framtida uppdrag på högre höjder, där riskerna från skräp till rymdfarkoster är större än på ISS-höjden.