Satelliter som kretsar runt jorden rör sig i många kilometer per sekund – så vad händer när deras vägar korsas? Satellitkollisioner är sällsynta, och deras konsekvenser dåligt förstådda, så ett nytt projekt försöker simulera dem, för bättre prognoser av framtida rymdskräp.

Endast fyra sådana kollisioner har ägt rum i rymdfärdens historia hittills – majoriteten av rymdskräpet härrör från explosioner av överblivna drivmedelstankar eller batterier – men de förväntas bli vanligare.

"Vi vill förstå vad som händer när två satelliter kolliderar, " förklarar ESA:s konstruktionsingenjör Tiziana Cardone, övervaka projektet.

"Hittills har många antaganden gjorts om hur den mycket höga kollisionsenergin skulle försvinna, men vi har ingen gedigen förståelse för den inblandade fysiken.

"Vi vill kunna visualisera i detalj hur satelliterna skulle gå sönder, och hur många skräp som skulle produceras, för att förbättra kvaliteten på våra modeller och förutsägelser."

Den totala energin som är involverad är storleksordningar högre än typisk konstruktionsteknik för rymden, som fokuserar på att uthärda det våld som uppskjutningen innebär. "Detta är verkligen okänt territorium, ", tillägger Tiziana.

"Vi behöver ha den här förståelsen eftersom vi för närvarande arbetar med dyra skräpreduceringsstrategier baserat på vår förståelse av skräpbeteende, " förklarar Holger Krag på ESA:s Space Debris Office. "Vi projicerar utvecklingen av skräpmiljön upp till 200 år framåt.

"Av de fyra kända kollisioner, bara en av dem ägde rum på det sätt vi förväntade oss, med båda satelliterna som bryts upp katastrofalt, genererar moln av skräp. De andra var helt annorlunda, så det är något som saknas på vår bild.

"Genom att köra många olika kollisionsvarianter hoppas vi förstå vad som hände under de faktiska kollisionerna, för att underbygga vår modellering."

Två olika typer av mjukvarusimuleringar genomförs:vid Tysklands Fraunhofer-institut för höghastighetsdynamik och den andra vid ett konsortium som leds av Center for Studies and Activities for Space vid University of Padua i Italien.

Det första tillvägagångssättet är baserat på en sofistikerad numerisk metod för att simulera deformations- och fragmenteringsprocesserna vid en kollision. De kolliderande föremålen är modellerade med realistiska strukturella och mekaniska egenskaper, representeras av ett "finite element mesh".

Dessa element omvandlas till diskreta partiklar när satelliterna fragmenteras. Detta möjliggör simulering av satelliternas strukturella svar på kollisionen såväl som genereringen av fragmentmolnet, och dess utveckling över tid.

Det andra tillvägagångssättet behandlar rymdfarkosten som uppbyggd av större element, såsom paneler, nyttolast, drivmedelstankar eller solpaneler, kopplas ihop med fysiska länkar. När energiöverföringen av kollisionen äger rum, dessa länkar bryts isär och elementen är fragmenterade. Ett bibliotek med tidigare simuleringar och empiriska data används för att visa hur dessa element splittras under kraften av stöten.

De två typerna av simulering tillsammans – verksamma på material- och komponentnivå – borde ge ny insikt i kollisionsfysik, men har börjat med att efterlikna effekterna av ett enda skräp - den typ av kollision som kan simuleras fysiskt i markbaserade laboratorier.

När dessa simuleringar duplicerar den observerade verkligheten, sedan kommer de att användas för att reproducera hela nedslag av satelliter i skala 500 kg.

Den första kända kollisionen ägde rum 1991, när Rysslands Cosmos 1934 drabbades av en bit Cosmos 926. Sedan, 1996, Frankrikes Cerise-satellit träffades av ett fragment av en Ariane 4-raket. 2005 träffades ett amerikanskt övre stadium av ett fragment av en kinesisk rakets tredje etapp. 2009 kolliderade en Iridium-satellit med Rysslands Cosmos-2251.