Warum ist Weltraumschrott in LEO so hartnäckig?

So wie ich das sehe, ist das Problem zweierlei:

Erstens zielen die Vorschriften darauf ab, die Zeit zu begrenzen, die Trümmer / Satelliten nach dem Ende ihrer Nutzungsdauer im Orbit verbringen:

(e) Die orbitale Lebensdauer von Objekten, die LEO passieren (weniger als 2.000 km), muss kürzer als 25 Jahre nach Beendigung des Betriebs sein.

(Quelle: Anforderungen und Einhaltung von ISO 24113 zur Abfallminderung)

Warum genau will das Inter-Agency Space Debris Coordination Committee (IADC) die Satelliten nach Missionsende im Orbit belassen (schließlich sollte man meinen, es sei sinnvoller, den Müll rauszubringen, wenn der Mülleimer voll ist, und nicht nach 25 Jahren?) wird von der ESA etwas besser umrissen :

Eine wachsende Zahl von Ländern hat Vorschriften eingeführt, um die Produktion von frischem Müll in den geschützten niedrigen Umlaufbahnen zu begrenzen, und beabsichtigt in der Regel, Satelliten innerhalb von 25 Jahren nach dem Ende ihrer Lebensdauer herunterzubringen oder von hier zu entfernen und gleichzeitig das Risiko für die Menschen zu verringern den Boden auf weniger als 1 in 10 000.

Sie müssen auch „passiviert“ werden, um Treibmittelreste zu entfernen und Batterien herunterzufahren, um Explosionen zu vermeiden.

Daher werden die Trümmer (vorerst noch innerhalb der geplanten 25 Jahre deorbitiert) absichtlich im Orbit gehalten, um zu versuchen, den Satelliten stillzulegen und die Wahrscheinlichkeit von Schäden an Menschen zu verringern. Wenn Sie zwischen den Zeilen lesen, geschieht dies auch, damit es keinen Hagel von explodierendem Metall auf der Erde gibt, der sowohl den Ruf als auch die Finanzierung der Weltraumagenturen stark beeinträchtigen würde. (Ein Beispiel dafür wäre, sich anzusehen, wie stark die Bevölkerung der Atomkraft gegenübersteht, während sie erklärt, dass sie sie nicht gut genug kennt; einige könnten die Atomkraft als "ein Geschenk der Götter, auf das aus Angst getreten wird" beschreiben) .)

Das zweite Problem bei längerer Anwesenheit von Trümmern ist das fast vollständige Fehlen von Gegenkräften. Im Bezugssystem von Trümmern ist praktisch die einzige konstante Gegenkraft der Widerstand der Erdatmosphäre. Der atmosphärische Widerstand wirkt sich auf alles innerhalb von etwa 500 Kilometern (etwa 310 Meilen oder etwa 1,6 Millionen Fuß) von der Erdoberfläche aus aus. Ein Dokument der Cornell University gibt den Luftwiderstand mathematisch an:

Bei vielen Satelliten im erdnahen Orbit (LEO) ergibt sich die größte dynamische Modellunsicherheit aus dem atmosphärischen Luftwiderstand. Beschleunigung durch Luftwiderstand$\boldsymbol{a}_D$hängt mit der atmosphärischen Dichte zusammen$\rho$durch die gleichung:

$$\boldsymbol{a}_D = −\frac{1}{2} \left( C_D \frac{A_v \left( t \right) }{m_s} \right) \rho v_r^2 \boldsymbol{e}_v$$ wo $C_D$ist ein Luftwiderstandsbeiwert, $A_v \left( t \right)$ist die Querschnittsfläche des Satelliten in Fahrtrichtung, $m_s$ist die Gesamtmasse des Raumfahrzeugs, $v_r$ist die Geschwindigkeitsgröße relativ zur umgebenden Atmosphäre und $\boldsymbol{e}_v$ein Einheitsvektor in Richtung der relativen Geschwindigkeit ist.

Aus der obigen Formel können wir ersehen, dass ein Objekt mit geringerer Masse tatsächlich einen größeren atmosphärischen Widerstand haben würde, wie Sie vorgeschlagen haben. Auch hier spielt die Querschnittsfläche eine große Rolle$A_v \left( t \right)$der Trümmer. Wenn Sie daran denken, einen Strandball und einen kleinen Stein mit ungefähr gleicher Masse zu werfen, wissen Sie, dass Sie den kleinen Stein viel schneller werfen können als den Strandball, und das liegt an der unterschiedlichen Querschnittsfläche$A_v \left( t \right)$der beiden Objekte.

Betrachten wir nun ganze Satelliten im Vergleich zu kleineren Trümmerstücken: Das kleinere Stück ist wahrscheinlich nicht hohl, sondern nur ein Stück Metall oder ein Komposit, während der Satellit von innen relativ leer und hohl sein wird. In diesem Fall ist das Verhältnis zwischen der Querschnittsfläche$A_v \left( t \right)$und die Gesamtmasse des Raumfahrzeugs$m_s$wäre für den Satelliten größer als für das kleinere Trümmerstück, dh der Satellit hätte einen größeren Luftwiderstand und würde früher aus der Umlaufbahn abfallen als das kleinere Trümmerstück (unter der Annahme, dass die Konstanten und Koeffizienten für die beiden gleich bleiben würden).

Dies stellt die Frage, warum die USA und China versucht haben, alte Satelliten in die Luft zu jagen und Zehntausende neuer, kleinerer, langlebigerer Trümmerstücke zu schaffen, wenn es physikalisch keinen Sinn ergibt?

Um es kurz zu machen, die Rate ist leider nicht so hoch. Es gibt Bemühungen, es zu bekämpfen (siehe den ESA-Link oben), aber bisher sieht es kurzfristig ziemlich schrecklich aus. Und um das Ganze abzurunden, fühlt sich alles über der 500-km-Schwelle aufgrund der Atmosphäre effektiv nicht an. Beispielsweise müssen Satelliten im geostationären Orbit (GEO, rund 36.000 km / 22.000 mi entfernt) am Ende ihrer Lebensdauer auf einer Friedhofsbahn positioniert werden. Aus Wikipedia:

Eine Friedhofsbahn, auch Junk Orbit oder Disposal Orbit genannt, ist eine supersynchrone Umlaufbahn, die deutlich über der synchronen Umlaufbahn liegt, wo Raumfahrzeuge absichtlich am Ende ihrer Betriebsdauer platziert werden. Es ist eine Maßnahme, die durchgeführt wird, um die Wahrscheinlichkeit von Kollisionen mit in Betrieb befindlichen Raumfahrzeugen und der Erzeugung von zusätzlichem Weltraumschrott zu verringern.

Um einige Ihrer kürzeren Fragen zu beantworten:

• Dieses Bild aus Wikipedia gibt eine Vorstellung davon, wie dreckig wir sind:
• Die Endstufentrennung ist normalerweise so konzipiert, dass nicht viel Müll in den Weltraum geblasen wird, und Agenturen / Trägerraketen versuchen zunehmend, frühere Stufen zur Erde zurückzubringen (intakt oder nicht). Andernfalls haben Sie möglicherweise ein oder zwei Trümmerstücke, die bei der Bühnentrennung bereits eine Abwärtsbahn haben (Newtons drittes Bewegungsgesetz: Der "zusätzliche Schub" bei der Bühnentrennung wirkt sich gleichermaßen auf die frühere Stufe aus, während die Nutzlast weiter von der Erde weggedrückt wird , die frühere Stufe wird zur Erde geschoben.)
• Heutzutage gibt es etwa 70-90 Starts pro Jahr, also nein, wir starten keine orbitalen Nutzlasten mit einer Rate von 1 alle 3 Tage ... Nur mit einer Rate von etwa 1 alle 4 Tage. ;) Dies entspricht jedoch nicht der Anzahl der eingesetzten Satelliten: Beispielsweise haben die jüngsten Entwicklungen von CubeSats (winzige (10 cm x 10 cm x 10 cm), billige Satelliten) dazu geführt, dass zahlreiche kleinere Satelliten gleichzeitig mit größeren gestartet wurden Nutzlast. Ende 2013 startete die USAF eine Minotaur I-Rakete, die mit ihrer Hauptnutzlast, dem Space Test Program Satellite-3 der Air Force, und zusammen mit 28 CubeSats beladen war, sodass bei einem einzigen Start beeindruckende 29 Satelliten eingesetzt wurden.

Nach all dem Gemurmel sind wir also wirklich die Hauptquelle für Weltraumschrott. Und nicht wirklich, dass wir immer mehr Dinge in den Weltraum bringen, sondern unser Mangel an Fortschritten bei der effektiven Entfernung unserer vergangenen, gegenwärtigen und zukünftigen Orbiter aus dem Weltraum, nachdem ihre Missionen beendet sind. Ich hoffe, das hat geholfen.

(Ein Hindernis, das ich nicht erwähnt habe, ist politischer Natur: Regierungen wollen Missionen zur Beseitigung des Weltraumschrotts nicht wirklich finanzieren. Politiker sind viel mehr an Missionen interessiert, die "gesehen" und ihrer Regierungszeit zugerechnet werden können, während die Beseitigung von Trümmern der Fall wäre ganz im Gegenteil (niemand hält die Müllmänner hoch, trotz ihrer infrastrukturell wichtigen Aufgabe).)