La NASA studia il laser per rimuovere la spazzatura spaziale

Nel 1978, lo scienziato della NASA Donald Kessler predisse che una collisione tra due pezzi di spazzatura spaziale avrebbe potuto innescare una cascata di ulteriori impatti, creando quantità pericolosamente grandi di detriti.

Kessler ha sottolineato che quando la velocità con cui si formano i detriti è più veloce della velocità con cui si disorbita, la Terra sarebbe circondata da cinture permanenti di spazzatura, uno scenario ora noto come sindrome di Kessler.

Secondo alcune stime, la sindrome di Kessler è già diventata una realtà. Nel gennaio 2009, una collisione tra i satelliti Iridium 33 e Cosmos 2251 ha creato proprio questo tipo di cascata. Due anni prima, l'esercito cinese aveva testato un'arma anti-satellite distruggendo uno dei suoi satelliti chiamato Fengyun 1C. Entrambi gli incidenti sono avvenuti ad un'altitudine di circa 800 km.

Oggi, il satellite di osservazione della Terra dell'Agenzia spaziale europea, Envisat, orbita a questa altezza ed è regolarmente minacciato da potenziali impatti. Oltre il 60 per cento di queste minacce può essere fatto risalire alla collisione Iridium/Cosmos o all'incidente di Fengyun.

Ma mentre la spazzatura spaziale minaccia la maggior parte degli operatori spaziali, pochi hanno un reale incentivo a fare qualcosa al riguardo. Se si presenta una minaccia significativa, di solito è possibile spostare un satellite di mezzo. È molto più economico che eliminare effettivamente la spazzatura.

Il risultato è una tragedia della situazione dei beni comuni, in cui una risorsa comune viene sfruttata al punto da diventare inutilizzabile.

Ed è qui che entra in gioco un'agenzia governativa come la NASA. Sono state lanciate varie idee per rimuovere la spazzatura spaziale, la maggior parte delle quali estremamente costosa.

Oggi, James Mason del NASA Ames Research Center vicino a Palo Alto e alcuni amici descrivono un'opzione molto più economica. La loro idea è di eliminare singoli pezzi di spazzatura con un laser a terra, rallentandoli in modo che alla fine si discostino dall'orbita.

Naturalmente, la rimozione laser non è del tutto nuova. Negli anni '90, l'aeronautica americana ha studiato l'idea, pensando che un laser abbastanza potente potesse far ablare un oggetto, creando una forza che potesse essere utilizzata per deorbitarlo. Il problema con questa idea è che un laser così potente ha un ovvio duplice scopo, che è improbabile che soddisfi altre nazioni che viaggiano nello spazio.

Quindi Mason e compagni hanno studiato la possibilità di utilizzare un sistema molto meno potente che utilizza solo la quantità di moto dei fotoni per decelerare la spazzatura. Concentrandosi su un pezzo di spazzatura per un'ora o due ogni giorno, calcolano che un laser da 5 KW potrebbe fare il trucco e che un dispositivo del genere potrebbe affrontare fino a dieci oggetti al giorno.

Ciò potrebbe aiutare a spostare la spazzatura da orbite potenzialmente pericolose e, in definitiva, a deorbitarla completamente. In effetti, Mason e compagni affermano che il sistema potrebbe invertire la sindrome di Kessler, in modo che il tasso di rimozione dei detriti superi ancora una volta il suo tasso di creazione.

Dicono che il loro sistema potrebbe essere utilizzato anche per manovrare satelliti opportunamente progettati, senza la necessità che trasportino propellente. Un tale sistema potrebbe essere commercializzato come un'impresa commerciale, contribuendo così a pagarlo.

Non che debba essere terribilmente costoso. Mason e colleghi stimano che un dispositivo di prova potrebbe essere messo in vendita per un milione di dollari, che dovrebbe essere condiviso da molte nazioni che viaggiano nello spazio, per evitare gli inevitabili problemi legali che l'utilizzo di un dispositivo del genere solleverebbe.

Naturalmente, gli Stati Uniti (e ovviamente la Cina), hanno già la tecnologia per questo tipo di lavoro, utilizzando i propri sistemi antisatellite. In effetti, Mason e colleghi affermano che potrebbe essere possibile eseguire una dimostrazione a costo quasi zero utilizzando le capacità esistenti come quelle della Starfire Optical Range a Kirtland AFB.

È solo una questione di tempo prima che un pezzo di spazzatura spaziale causi seri danni in orbita, ad esempio minacciando una missione con equipaggio. Ci sarà molto interesse per questo tipo di tecnologia dopo un simile incidente. E poi ci chiederemo perché non abbiamo investito nella tecnologia quando abbiamo avuto la possibilità di prevenire questo tipo di disastro.

Rif: arxiv.org/abs/1103.1690 : Prevenzione collisione detriti-detriti orbitali

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Correzione–15 marzo 2011
In risposta a questo post, l'Ufficio per gli affari pubblici della NASA ha inviato quanto segue:
James Mason, autore della Universities Space Research Association, vorrebbe chiarire alcuni punti sulle seguenti frasi:
1) Oggi, James Mason del NASA Ames Research Center vicino a Palo Alto e alcuni amici...
James Mason è della University Space Research Association (USRA). Il lavoro è stato una collaborazione tra USRA, Stanford University e NASA Ames: Mason e Marshall sono finanziati dall'USRA. Stupl è finanziato da Stanford. Levit è un funzionario della NASA.
2) Concentrati su un pezzo di spazzatura per un'ora o due ogni giorno, calcolano che un laser da 5 KW potrebbe fare il trucco
Il trucco è spostare l'oggetto solo di una piccola quantità, prevenendo così una collisione. L'effetto di questo laser sarebbe troppo debole per influenzare rapidamente il decadimento dell'orbita dell'oggetto. Per de-orbitare effettivamente un oggetto detriti con un laser richiede forze circa 1.000 volte più potenti. Per disorbitarlo completamente dall'orbita ci vorrebbe circa la stessa quantità di tempo che se non l'avessimo illuminato - potrebbero volerci decenni, a seconda dell'oggetto.
3) Mason e colleghi stimano che un dispositivo di prova potrebbe essere messo in crisi per un milione di dollari
Il laser da solo costerebbe circa un milione di dollari (è un laser industriale disponibile in commercio). Il costo effettivo di un sistema operativo (compresi telescopio, ottica adattiva, ecc.) Non è chiaro, ma è probabile che sia almeno di decine di milioni.
4) Ovviamente gli Stati Uniti (e ovviamente la Cina), hanno già la tecnologia per questo tipo di lavoro, utilizzando i propri sistemi antisatellite. In effetti, Mason e colleghi affermano che potrebbe essere possibile eseguire una dimostrazione a costo quasi zero utilizzando le capacità esistenti come quelle della Starfire Optical Range a Kirtland AFB.
i sistemi antisatellite potrebbero essere troppo potenti. La tecnologia militare esistente è probabilmente principalmente per (al momento) il monitoraggio e l'imaging di altri satelliti. La Direzione dell'energia diretta a Kirtland ha probabilmente la maggior parte di ciò che sarebbe necessario per fare una dimostrazione tecnologica, tuttavia sottolineiamo nel documento che questo sistema dovrebbe essere realizzato come una collaborazione internazionale a causa delle ovvie implicazioni sulla sicurezza.
Inoltre, Jan Stupl, anche lui autore della Stanford University, ha commentato la seguente frase:
La loro idea è di eliminare singoli pezzi di spazzatura con un laser a terra, rallentandoli in modo che alla fine si discostino dall'orbita.
Il nostro pezzo riguarda la prevenzione delle collisioni, non il de-orbita. Stesso discorso per la scadenza: non si tratta di “rimuovere” la spazzatura spaziale, ma di “spostarsi”…

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