Detriti spaziali (Space debris)

I detriti spaziali (noti anche come spazzatura spaziale, inquinamento spaziale, rifiuti spaziali, spazzatura spaziale, spazzatura spaziale o detriti cosmici) sono oggetti defunti creati dall'uomo in...

I detriti spaziali (noti anche come spazzatura spaziale, inquinamento spaziale, rifiuti spaziali, spazzatura spaziale, spazzatura spaziale o detriti cosmici) comprendono oggetti di origine antropica defunti situati principalmente nell'orbita terrestre che non soddisfano più uno scopo operativo. Questa categoria comprende veicoli spaziali abbandonati (ovvero navi non funzionanti e stadi di veicoli di lancio abbandonati), detriti legati alla missione e, in particolare prevalenti nell'orbita terrestre, detriti di frammentazione derivanti dalla disintegrazione di corpi di razzi e veicoli spaziali defunti. Oltre a questi oggetti antropogenici abbandonati rimasti in orbita, i detriti spaziali comprendono anche frammenti generati dalla disintegrazione, dall’erosione o dalle collisioni; liquidi solidificati espulsi da veicoli spaziali; particelle incombuste provenienti da motori a razzo a propellente solido; e perfino minuscole scaglie di vernice. Di conseguenza, i detriti spaziali rappresentano un pericolo significativo per i veicoli spaziali operativi.

Detriti spaziali (noti anche come spazzatura spaziale, inquinamento spaziale, rifiuti spaziali, spazzatura spaziale, spazzatura spaziale o detriti cosmici) sono oggetti defunti realizzati dall'uomo nello spazio - principalmente nell'orbita terrestre - che non svolgono più una funzione utile. Questi includono veicoli spaziali abbandonati (veicoli spaziali non funzionanti e stadi di veicoli di lancio abbandonati), detriti legati alla missione e, in particolare, numerosi detriti nell'orbita terrestre, detriti di frammentazione derivanti dalla disgregazione di corpi di razzi e veicoli spaziali abbandonati. Oltre agli oggetti abbandonati di fabbricazione umana lasciati in orbita, i detriti spaziali includono frammenti derivanti da disintegrazione, erosione o collisioni; liquidi solidificati espulsi da veicoli spaziali; particelle incombuste provenienti da motori a razzo a propellente solido; e persino macchie di vernice. I detriti spaziali rappresentano un rischio per i veicoli spaziali.

I detriti spaziali sono comunemente caratterizzati come un'esternalità negativa. La sua presenza impone un costo esterno ad altre entità, derivante dalla decisione iniziale di lanciare o utilizzare un veicolo spaziale in orbita vicino alla Terra; questo costo spesso non viene né adeguatamente considerato né completamente internalizzato dall'agenzia di lancio o dal proprietario del carico utile.

Numerosi veicoli spaziali, che comprendono missioni sia con equipaggio che senza equipaggio, hanno subito danni o sono stati distrutti a causa dell'impatto con detriti spaziali. Di conseguenza, la valutazione, la mitigazione e l'eventuale rimozione di tali detriti sono attività intraprese da varie parti interessate all'interno dell'industria spaziale.

Secondo le statistiche dell'Ufficio per l'ambiente spaziale dell'Agenzia spaziale europea, ad aprile 2025, un totale di 40.230 oggetti artificiali in orbita attorno alla Terra sono stati regolarmente monitorati dalle reti di sorveglianza spaziale e catalogati.

Tuttavia, questo conteggio riguarda esclusivamente oggetti sufficientemente grandi per essere rilevati e situati in orbite favorevoli al rilevamento. tracciamento. Ad esempio, i detriti satellitari nell’orbita di Molniya, esemplificati dalla serie Kosmos Oko, potrebbero essere posizionati ad altitudini troppo elevate sopra l’emisfero settentrionale per un tracciamento efficace. A gennaio 2019, le stime indicavano che oltre 128 milioni di frammenti di detriti inferiori a 1 cm (0,4 pollici), circa 900.000 frammenti tra 1 e 10 cm e circa 34.000 frammenti superiori a 10 cm (3,9 pollici) erano in orbita attorno alla Terra. I più piccoli oggetti detriti spaziali artificiali (ad esempio macchie di vernice, particelle solide di scarico di razzi) vengono talvolta definiti collettivamente dalle agenzie spaziali come MMOD (Micrometeoroidi e detriti orbitali) se considerati insieme ai micrometeoroidi.

Le collisioni che coinvolgono detriti orbitali ora costituiscono un pericolo significativo per i veicoli spaziali operativi. Anche i frammenti più piccoli possono causare danni paragonabili alla sabbiatura, in particolare su componenti vulnerabili come pannelli solari e strumenti ottici (ad esempio telescopi o inseguitori stellari) che non sono facilmente protetti dalla protezione balistica.

Ad altitudini inferiori a 2.000 km (1.200 mi), i frammenti di detriti orbitali mostrano una densità maggiore rispetto ai meteoroidi naturali. La maggior parte di questi sono costituiti da particolato proveniente da motori a razzo a propellente solido, prodotti di erosione superficiale come scaglie di vernice e refrigerante congelato espulso dai satelliti sovietici a propulsione nucleare. In confronto, la Stazione Spaziale Internazionale (ISS) mantiene un'orbita all'interno della fascia di altitudine di 300-400 chilometri (190-250 mi), mentre i due recenti incidenti più significativi che hanno generato detriti - il test cinese dell'arma anti-satellite del 2007 e la collisione satellitare del 2009 - sono avvenuti ad altitudini che vanno da 800 a 900 chilometri (da 500 a 560 mi). La ISS è dotata di schermatura Whipple progettata per mitigare i danni causati dai piccoli MMOD. Tuttavia, i detriti noti che presentano una probabilità di collisione superiore a 1 su 10.000 richiedono manovre evasive da parte della stazione.

Un rapporto pubblicato nel gennaio 2025 indica che gli scienziati sostengono una maggiore vigilanza riguardo alla chiusura dello spazio aereo per prevenire potenziali collisioni tra aerei commerciali e detriti spaziali in rientro, dato il volume crescente di entrambi. In seguito a un incidente distruttivo, in particolare l'esplosione del volo Starship 7 di SpaceX il 16 gennaio 2025, la Federal Aviation Administration (FAA) degli Stati Uniti ha implementato rallentamenti del traffico aereo all'interno della zona designata per la caduta dei detriti. Questa misura ha portato diversi aeromobili a richiedere deviazioni a causa di livelli di carburante estremamente bassi in attesa dell'autorizzazione al di fuori dell'area di risposta ai detriti stabilita.

Storia

L'accumulo di detriti spaziali nell'orbita terrestre è iniziato con il lancio dello Sputnik 1, il primo satellite artificiale, nell'ottobre del 1957. Tuttavia, i rifiuti antropogenici che successivamente sono diventati detriti spaziali potrebbero essere stati generati anche prima di questa pietra miliare, come dimostrato dal test Pascal B dell'agosto 1957. Ad esempio, nel 1957, i detriti spaziali furono deliberatamente espulsi da un sistema di lancio Aerobee durante quello che probabilmente fu un tentativo fallito di raggiungere la velocità di fuga della Terra per la prima volta, raggiungendo così lo spazio oltre la Terra. Inoltre, i materiali espulsi naturali provenienti dalla Terra sono storicamente entrati in orbita.

Dopo il lancio dello Sputnik, il Comando di difesa aerospaziale nordamericano (NORAD) ha avviato la creazione del catalogo degli oggetti spaziali, un database completo che documenta tutti i lanci di razzi e gli oggetti orbitali identificati, come satelliti, scudi protettivi e stadi superiori dei veicoli di lancio. Successivamente, la NASA ha diffuso iterazioni riviste di questo database in set di elementi di due righe, che sono stati poi ripubblicati tramite il sistema di bacheca CelesTrak a partire dai primi anni '80.

Il personale del NORAD responsabile del popolamento del database ha identificato ulteriori oggetti orbitali, molti dei quali originati da esplosioni in orbita. Un sottoinsieme di queste esplosioni è il risultato di test deliberati sulle armi anti-satellite (ASAT) condotti negli anni '60, mentre altre si sono verificate quando il propellente residuo negli stadi dei razzi si è espanso, causando rotture dei serbatoi. Nel corso del tempo, database e metodologie di tracciamento più sofisticati, come i diagrammi di Gabbard, sono stati progressivamente sviluppati per migliorare la precisione della modellazione dell'evoluzione orbitale e del decadimento.

Dopo il rilascio pubblico del database NORAD negli anni '70, le metodologie inizialmente ideate per l'analisi della fascia degli asteroidi sono state successivamente adattate per indagare sugli oggetti satellitari artificiali identificati.

I detriti spaziali sono naturalmente attenuati dai processi temporali e dalle interazioni gravitazionali/atmosferiche. Sebbene siano state proposte numerose soluzioni tecnologiche, la maggior parte rimane non implementata. Il consenso accademico suggerisce che gli impedimenti sistemici – che comprendono dimensioni politiche, legali, economiche e culturali – rappresentano gli ostacoli principali alla mitigazione dei detriti spaziali vicini alla Terra. L’assenza di incentivi commerciali per la riduzione dei detriti è notevole, poiché i costi associati ai detriti non gravano su chi li ha originati ma sono piuttosto a carico di tutti i beneficiari dell’ambiente spaziale e dei suoi progressi tecnologici. Di conseguenza, sono emerse varie proposte per aumentare gli incentivi per la riduzione dei detriti, con l’obiettivo di motivare le aziende a perseguire strategie di mitigazione dei detriti più proattive rispetto a quanto richiesto dalle attuali normative governative. Nel 1979, la NASA ha istituito l'Orbital Debris Program per studiare strategie di mitigazione dei detriti orbitali attorno alla Terra.

Tendenze di accumulo di detriti

Nel corso degli anni '80, la NASA e altre organizzazioni americane tentarono di limitare la proliferazione dei detriti spaziali. Una strategia di mitigazione pilota è stata introdotta da McDonnell Douglas nel 1981 per il veicolo di lancio Delta, che prevedeva la separazione del booster dal suo carico utile e il successivo sfiato del propellente residuo dai suoi serbatoi. Questa procedura ha effettivamente eliminato una fonte di accumulo di pressione interna che in precedenza aveva portato all'esplosione dei serbatoi e alla generazione di ulteriori detriti orbitali. Tuttavia, altre nazioni furono più lente nell'adottare questa misura e la questione di conseguenza si intensificò nel corso del decennio, particolarmente esacerbata dai numerosi lanci condotti dall'Unione Sovietica.

Successivamente, la NASA, il NORAD e altri enti intrapresero una serie di nuove indagini per migliorare la comprensione dell'ambiente orbitale, ciascuna rivedendo progressivamente verso l'alto la quantità stimata di detriti all'interno della regione di massa critica. Mentre il numero di oggetti era stimato a 5.000 nel 1981 (l'anno in cui apparve l'articolo di Schefter), nuove capacità di rilevamento all'interno del sistema di sorveglianza elettro-ottico dello spazio profondo terrestre identificarono ulteriori oggetti. Verso la fine degli anni '90, si ipotizzò che la maggior parte dei 28.000 oggetti lanciati fossero decaduti, con circa 8.500 ancora in orbita. Questa stima è stata successivamente rivista a 13.000 oggetti entro il 2005 e uno studio del 2006 ha ulteriormente elevato il conteggio a 19.000 a seguito di un evento anti-satellitare (ASAT) e di una collisione satellitare. Nel 2011, la NASA ha riferito di aver tracciato 22.000 oggetti.

Una simulazione della NASA del 2006 ha indicato che, in assenza di nuovi lanci, la popolazione di detriti orbitali esistente persisterebbe fino al 2055 circa, momento in cui prolifererebbe autonomamente. Nel 2002, Richard Crowther della Defense Evaluation and Research Agency britannica ha ipotizzato che una cascata di detriti sarebbe probabilmente iniziata intorno al 2015. L'Accademia nazionale delle scienze degli Stati Uniti, riflettendo il consenso degli esperti, ha osservato un ampio accordo sul fatto che due specifiche bande di altitudine dell'orbita terrestre bassa (LEO), comprese tra 900 e 1.000 km (620 mi) e 1.500 km (930 mi), avevano già superato la densità critica

Durante la Conferenza europea sull'aria e lo spazio del CEAS del 2009, Hugh Lewis, un ricercatore dell'Università di Southampton, ha previsto un aumento del 50% della minaccia dei detriti spaziali nel decennio successivo, con un'escalation di quattro volte prevista entro i prossimi cinquant'anni. Nel 2009, su base settimanale venivano monitorati oltre 13.000 eventi di avvicinamento ravvicinato.

Un rapporto del 2011 del Consiglio nazionale delle ricerche degli Stati Uniti ha allertato la NASA del grave accumulo di detriti spaziali in orbita. Alcuni modelli computazionali indicano che il volume dei detriti spaziali ha raggiunto una soglia critica, dove i frammenti orbitali esistenti sono sufficienti a generare continue collisioni, producendo così ulteriori detriti e aumentando la probabilità di malfunzionamenti dei veicoli spaziali. Il rapporto sosteneva l'implementazione di normative internazionali per mitigare i detriti e l'intensificazione della ricerca sulle metodologie di smaltimento.

Cronologia dell'accumulo di detriti spaziali

Alla metà del 1994, erano stati registrati un totale di 68 eventi di frammentazione o "incidenti anomali di detriti", che coinvolgevano principalmente satelliti lanciati dall'ex Unione Sovietica o dalla Russia. Inoltre, sono stati identificati 18 incidenti comparabili, collegati a corpi di razzi e altri detriti operativi associati ai sistemi di propulsione.
Nel 2009, la rete di sorveglianza spaziale degli Stati Uniti ha monitorato circa 19.000 frammenti di detriti di dimensioni superiori a 5 cm (2 pollici).
Entro luglio 2013, le stime dei detriti orbitali includevano oltre 170 milioni di frammenti inferiori a 1 cm (0,4 pollici), circa 670.000 pezzi di dimensioni comprese tra 1 e 10 cm e circa 29.000 oggetti più grandi.
A luglio 2016, quasi 18.000 oggetti artificiali, tra cui 1.419 satelliti operativi, erano nell'orbita terrestre.
Nell'ottobre 2019, il numero di oggetti artificiali in orbita attorno alla Terra era aumentato fino a quasi 20.000, di cui 2.218 satelliti operativi.

Caratterizzazione dei detriti spaziali

Dimensioni e quantità dei detriti

A gennaio 2019, le stime indicavano oltre 128 milioni di frammenti di detriti inferiori a 1 cm (0,39 pollici) e circa 900.000 pezzi di dimensioni comprese tra 1 e 10 cm. La popolazione di detriti di grandi dimensioni, definiti come oggetti di 10 cm o più di diametro, era pari a 34.000 nel 2019, aumentando fino ad almeno 37.000 entro giugno 2023. La soglia tecnica per la misurazione è di circa 3 mm (0,12 pollici).

Nel 2020, la massa totale dei detriti orbitali è stata stimata a 8.000 tonnellate, una quantità destinata ad aumentare.

Ambiente dell'orbita terrestre bassa

All'interno della regione orbitale più vicina alla Terra, in particolare al di sotto di 2.000 km (1.200 mi) di altitudine, nota come Low Earth Orbit (LEO), storicamente ci sono state "orbite universali" limitate che mantengono più veicoli spaziali all'interno di anelli orbitali distinti, a differenza dell'orbita geostazionaria terrestre (GEO), che è un'orbita singolare ampiamente utilizzata da oltre 500 satelliti. Attualmente, LEO presenta un tasso di inquinamento dell’85%. Questa tendenza ha iniziato a cambiare nel 2019, quando diverse aziende hanno avviato l’implementazione delle fasi iniziali per le costellazioni Internet via satellite. Queste costellazioni sono progettate per occupare numerose orbite universali all'interno della LEO, con da 30 a 50 satelliti per piano orbitale e altitudine. Storicamente, le orbite LEO più densamente popolate sono state quelle dei satelliti eliosincroni, che mantengono un angolo costante tra il Sole e il loro piano orbitale, facilitando così l’osservazione della Terra attraverso un’illuminazione solare uniforme. Le orbite eliosincrone sono polari e attraversano le regioni polari della Terra. I satelliti LEO operano su più piani, completando in genere fino a 15 orbite al giorno, il che porta a frequenti incontri ravvicinati tra gli oggetti. Di conseguenza, la concentrazione di satelliti, sia operativi che defunti, è considerevolmente elevata in LEO.

Le traiettorie orbitali sono influenzate da perturbazioni gravitazionali, che in LEO comprendono irregolarità nel campo gravitazionale terrestre derivanti dalle variazioni di densità planetaria. Le collisioni possono quindi avere origine da qualsiasi vettore. La velocità media d'impatto per le collisioni nell'orbita terrestre bassa è di 10 km/s, con velocità di picco superiori a 14 km/s attribuibili all'eccentricità orbitale. La collisione del satellite nel 2009, ad esempio, è avvenuta a una velocità di 11,7 km/s (26.000 mph), generando più di 2.000 consistenti frammenti di detriti. Questi frammenti successivamente intersecano numerosi altri percorsi orbitali, esacerbando così il rischio di ulteriori collisioni.

Si ipotizza che una collisione di veicoli spaziali sufficientemente significativa potrebbe avviare un effetto a cascata, rendendo potenzialmente alcune orbite terrestri basse effettivamente inutilizzabili per operazioni satellitari prolungate. Questo fenomeno è chiamato sindrome di Kessler. Questo effetto teorico è previsto come una reazione a catena di collisioni incontrollata, che aumenterebbe esponenzialmente la quantità e la densità dei detriti spaziali nell'orbita terrestre bassa, e si ipotizza che inizi una volta superata la densità critica dei detriti.

Le missioni di volo spaziale umano operano principalmente ad altitudini di 400 km (250 mi) o inferiori, dove la resistenza atmosferica contribuisce alla rimozione dei frammenti orbitali. La densità dell'alta atmosfera non è costante a nessuna data altitudine orbitale; fluttua a causa delle maree atmosferiche e subisce espansione o contrazione per periodi prolungati, influenzato da fenomeni di meteorologia spaziale. Tali effetti prolungati possono intensificare la resistenza atmosferica a quote più basse; ad esempio, l’espansione atmosferica osservata negli anni ’90 ha contribuito a una diminuzione della densità dei detriti. Inoltre, ha avuto un ruolo anche la riduzione dei lanci da parte della Russia, in seguito al picco di attività di lancio dell'Unione Sovietica negli anni '70 e '80.

Altitudini più elevate

Nei regimi orbitali più elevati, dove la resistenza atmosferica esercita un'influenza ridotta, il processo di decadimento orbitale è considerevolmente prolungato. Mentre una minore resistenza atmosferica, le perturbazioni gravitazionali lunari, le perturbazioni gravitazionali della Terra, il vento solare e la pressione della radiazione solare possono progressivamente guidare i detriti a quote più basse per il decadimento, questo processo può estendersi per secoli in orbite molto alte. Nonostante le orbite ad alta quota siano utilizzate meno frequentemente rispetto all'orbita terrestre bassa (LEO) e mostrino una manifestazione iniziale più lenta del problema dei detriti, l'accumulo di oggetti in queste regioni si avvicina a una soglia critica a un ritmo accelerato.

Numerosi satelliti per comunicazioni occupano orbite geostazionarie (GEO), spesso riunendosi sopra particolari obiettivi geografici e condividendo traiettorie orbitali comuni. Mentre le velocità relative tra gli oggetti GEO attivi sono tipicamente basse, un satellite abbandonato (ad esempio, Telstar 401) transita in un'orbita geosincrona, sperimentando un aumento annuale approssimativo di 0,8° nell'inclinazione orbitale e un incremento di velocità di circa 160 km/h (99 mph). Le velocità potenziali di impatto possono raggiungere circa 1,5 km/s (0,93 mi/s). Le perturbazioni orbitali inducono una deriva longitudinale nei veicoli spaziali defunti e contribuiscono alla precessione dei loro piani orbitali. Si stima che gli avvicinamenti ravvicinati (entro i 50 metri) avvengano circa una volta all'anno. Sebbene i detriti della collisione in GEO presentino un rischio a breve termine inferiore rispetto alle collisioni in LEO, un satellite colpito verrebbe probabilmente reso inutilizzabile. Le grandi strutture, come i proposti satelliti a energia solare, sono particolarmente suscettibili agli eventi di collisione.

Nonostante l'Unione internazionale delle telecomunicazioni (ITU) imponga ora la prova che un satellite possa essere riposizionato dal suo slot orbitale al termine della sua vita operativa, la ricerca indica che questa misura è inadeguata. Dato che l’orbita GEO è troppo remota per tracciare con precisione oggetti più piccoli di 1 metro (3 piedi 3 pollici), l’intera portata del problema dei detriti rimane in gran parte indefinita. Il trasferimento dei satelliti in posizioni vacanti all'interno di GEO potrebbe ridurre i requisiti di manovra e semplificare la previsione delle loro traiettorie future. Inoltre, i satelliti o gli stadi di potenziamento in orbite alternative, in particolare quelli lasciati nell'orbita di trasferimento geostazionaria, rappresentano un'ulteriore preoccupazione a causa delle loro velocità di attraversamento tipicamente elevate.

Nonostante gli sforzi di mitigazione del rischio, sono stati documentati casi di collisioni di veicoli spaziali. Ad esempio, il satellite per telecomunicazioni Olympus-1 dell'Agenzia spaziale europea ha subito l'impatto di un meteoroide l'11 agosto 1993, rendendone necessario il successivo trasferimento in un'orbita cimiteriale. Successivamente, il 29 marzo 2006, il satellite per comunicazioni russo Express-AM11 è stato colpito da un oggetto non identificato, rendendolo inutilizzabile; tuttavia, i suoi ingegneri mantennero contatti sufficienti per comandarne il trasferimento in un'orbita cimiteriale.

Fonti

Veicolo spaziale defunto

Nel 1958, gli Stati Uniti schierarono il Vanguard I in un'orbita terrestre media (MEO). Nell'ottobre 2009, Vanguard I, insieme allo stadio superiore del razzo di lancio e ai relativi detriti, costituiva il più antico oggetto spaziale artificiale esistente in orbita, destinato a rimanere tale oltre l'anno 2250. Entro maggio 2022, l'Union of Concerned Scientists ha segnalato 5.465 satelliti operativi all'interno di una popolazione riconosciuta di 27.000 frammenti di detriti orbitali monitorati dal NORAD.

I satelliti vengono talvolta abbandonati in orbita una volta esaurita la loro utilità operativa. cessa. Numerose nazioni impongono la passivazione dei satelliti al termine della loro vita operativa. Questi satelliti vengono successivamente spinti in un'orbita più alta, designata come cimitero, o deorbitati in un'orbita più bassa, a breve termine. Tuttavia, i satelliti trasferiti con successo su un’orbita più alta devono ancora affrontare una probabilità dell’8% di subire forature e rilascio di refrigerante in un arco di tempo di 50 anni. Questo refrigerante rilasciato si solidifica in goccioline di lega di sodio-potassio, generando così ulteriori detriti.

Nonostante l'implementazione delle tecniche di passivazione, o prima della loro adozione su larga scala, numerosi satelliti e corpi di razzi hanno subito esplosioni o frammentazioni in orbita. Ad esempio, nel febbraio 2015, il volo 13 (DMSP-F13) del programma satellitare meteorologico della difesa dell’USAF si è disintegrato in orbita, generando almeno 149 frammenti di detriti che, secondo le previsioni, persisteranno in orbita per decenni. Nello stesso anno, la NOAA-16, che era stata dismessa a seguito di un'anomalia del giugno 2014, si fratturò in un minimo di 275 pezzi mentre era in orbita. I programmi più vecchi, come i satelliti Meteor 2 e Kosmos dell'era sovietica, presentavano difetti di progettazione che portarono a numerose rotture post-smantellamento (almeno 68 nel 1994), aumentando così i detriti orbitali.

Oltre alla generazione accidentale di detriti, anche la distruzione intenzionale dei satelliti ha contribuito alla formazione di detriti orbitali. Tali azioni sono state intraprese per testare tecnologie anti-satellite o anti-missili balistici o per impedire a potenze straniere di esaminare risorse satellitari sensibili. Gli Stati Uniti hanno condotto oltre 30 test sulle armi anti-satellite (ASAT), mentre l’Unione Sovietica/Russia ne ha eseguiti almeno 27, la Cina 10 e l’India almeno uno. I recenti eventi ASAT includono l'intercettazione da parte della Cina del FY-1C, le sperimentazioni russe del suo PL-19 Nudol, l'intercettazione americana del USA-193 e l'intercettazione da parte dell'India di un satellite attivo non divulgato.

Attrezzatura smarrita

I detriti spaziali comprendono vari oggetti persi dagli astronauti, tra cui un guanto della passeggiata spaziale americana inaugurale (EVA) di Ed White, una macchina fotografica smarrita da Michael Collins vicino a Gemini 10, una coperta termica persa durante la STS-88 e sacchi della spazzatura gettati in mare dai cosmonauti sovietici durante i 15 anni di operatività di Mir, insieme a una chiave inglese e uno spazzolino da denti. Anche Sunita Williams di STS-116 ha perso una telecamera durante un'EVA. Durante un'EVA STS-120 volta a rinforzare un pannello solare danneggiato, un paio di pinze furono perse e in un'EVA STS-126, Heidemarie Stefanyshyn-Piper perse una borsa degli attrezzi paragonabile per dimensioni a una valigetta.

Booster

Una parte sostanziale dei detriti orbitali ha origine dagli stadi superiori dei razzi, come l'Inertial Upper Stage, che si frammenta a causa della decomposizione del carburante non ventilato. Il primo incidente registrato avvenne nel 1961 con il lancio del satellite Transit-4a, dove lo stadio superiore di Ablestar esplose due ore dopo l'inserimento orbitale. Anche i booster intatti possono rappresentare un pericolo, come dimostrato da un significativo evento di impatto noto che ha coinvolto un booster Ariane.

Mentre la NASA e l'aeronautica degli Stati Uniti impongono la passivazione dello stadio superiore, altre agenzie spaziali, comprese quelle di Cina e Russia, non impongono requisiti simili. Al contrario, gli stadi inferiori, come i razzi a propellente solido dello Space Shuttle o i veicoli di lancio Saturn IB del programma Apollo, in genere non raggiungono l'orbita.

Esempi:

Nel 2006, due razzi giapponesi H-2A si disintegrarono.
Uno stadio booster russo Briz-M è esploso in orbita sopra l'Australia meridionale il 19 febbraio 2007. Questo booster, lanciato il 28 febbraio 2006, con un satellite per comunicazioni Arabsat-4A, ha funzionato male prima di consumare il suo propellente. Sebbene gli astronomi abbiano filmato l'esplosione, il percorso orbitale della nube di detriti risultante ha complicato la misurazione radar. Al 21 febbraio 2007 erano stati identificati oltre 1.000 frammenti. Celestrak ha anche documentato una rottura il 14 febbraio 2007.
Un altro booster Briz-M si è frammentato il 16 ottobre 2012, a seguito di un lancio fallito di Proton-M il 6 agosto. La quantità e le dimensioni dei detriti risultanti sono rimaste indeterminate.
Il secondo stadio dello Zenit-2, designato SL-16 dai governi occidentali, insieme ai secondi stadi dei veicoli di lancio Vostok e Kosmos, rappresentano collettivamente circa il 20% della massa totale dei detriti di lancio nell'orbita terrestre bassa (LEO). Un'analisi che ha identificato i 50 oggetti detriti "statisticamente più preoccupanti" in LEO ha rivelato che i primi 20 erano esclusivamente stadi superiori di Zenit-2.
Un razzo Delta II, utilizzato per il lancio della navicella spaziale COBE della NASA nel 1989, è esploso il 3 dicembre 2006, nonostante il suo carburante residuo fosse stato precedentemente scaricato nello spazio.
Tra il 2018 e il 2019, tre distinti secondi stadi Atlas V Centaur hanno subito una frammentazione.
Nel dicembre 2020, gli scienziati hanno confermato che 2020 SO, un oggetto vicino alla Terra precedentemente rilevato, era in realtà un razzo lanciato nel 1966, che ora orbita sia attorno alla Terra che al Sole.
Almeno otto razzi Delta hanno generato detriti orbitali all'interno dell'ambiente dell'orbita terrestre bassa eliosincrona. La variante dello stadio superiore Delta utilizzata negli anni '70 mostrava una propensione alle esplosioni in orbita. A partire dal 1981, le bruciature di esaurimento, progettate per eliminare il propellente residuo, furono standardizzate e, successivamente al 1981, nessun corpo di razzo Delta subì una frammentazione significativa. Tuttavia, diversi lanciati prima di questo periodo hanno continuato a esplodere. Nel 1991, il Delta 1975-052B si frammentò 16 anni dopo il lancio, sottolineando la duratura volatilità del propellente.

Armi

Storicamente, i test sulle armi antisatellite (ASAT) costituivano una fonte significativa di detriti orbitali, condotti dagli Stati Uniti e dall'Unione Sovietica negli anni '60 e '70. Mentre il Comando di difesa aerospaziale nordamericano (NORAD) raccoglieva principalmente dati sui test sovietici, i detriti dei test statunitensi venivano identificati retrospettivamente. I diffusi test ASAT erano cessati quando le implicazioni dei detriti orbitali furono pienamente comprese. Ad esempio, il programma statunitense 437 fu terminato nel 1975.

Gli Stati Uniti ripresero i propri programmi ASAT negli anni '80, introducendo il sistema ASAT Vought ASM-135. Un test del 1985 distrusse con successo un satellite da 1 tonnellata (2.200 libbre) a un'altitudine di 525 km (326 mi), generando migliaia di frammenti di detriti di dimensioni superiori a 1 cm (0,39 pollici). A causa della resistenza atmosferica a questa altitudine, la maggior parte dei detriti uscì dall'orbita entro un decennio. Questo test è stato successivamente seguito da una moratoria de facto.

Il governo cinese ha dovuto affrontare la condanna internazionale in seguito al test missilistico anti-satellite del 2007, sia per le sue implicazioni militari che per il notevole volume di detriti generati. Questo evento, riconosciuto come il più grande incidente di detriti spaziali della storia, ha prodotto oltre 2.300 frammenti delle dimensioni di una pallina da golf o più grandi, più di 35.000 pezzi superiori a 1 cm (0,4 pollici) e circa un milione di frammenti più grandi di 1 mm (0,04 pollici). Il satellite preso di mira era situato in un'orbita compresa tra 850 km (530 mi) e 882 km (548 mi), una regione dello spazio vicino alla Terra caratterizzata dall'alta densità di satelliti operativi. Data la minima resistenza atmosferica a questa altitudine, il rientro dei detriti nell'atmosfera terrestre è prolungato; di conseguenza, nel giugno 2007, la navicella spaziale Terra della NASA ha eseguito una manovra per evitare una potenziale collisione. Brian Weeden, ufficiale dell'aeronautica statunitense e membro dello staff della Secure World Foundation, ha osservato che la distruzione del satellite cinese nel 2007 ha generato oltre 3.000 distinti oggetti di detriti orbitali che necessitano di un successivo monitoraggio.

Il 20 febbraio 2008, gli Stati Uniti hanno schierato un missile SM-3 dalla USS Lake Erie per neutralizzare un satellite da ricognizione statunitense malfunzionante, che si credeva contenesse 450 kg (1.000 libbre) di propellente idrazina tossico. Questa intercettazione è avvenuta a circa 250 km (155 mi), con i successivi detriti che mostravano un perigeo di 250 km (155 mi) o meno. La traiettoria del missile è stata ottimizzata per ridurre al minimo la generazione di detriti e, secondo Kevin Chilton, capo del comando strategico del Pentagono, i detriti erano in gran parte deorbitati all'inizio del 2009.

Il 27 marzo 2019, il primo ministro indiano Narendra Modi ha dichiarato che l'India aveva intercettato con successo uno dei suoi satelliti in orbita terrestre bassa (LEO) utilizzando un missile terrestre. Ha affermato che questa operazione, designata come parte della Missione Shakti, aveva lo scopo di salvaguardare gli interessi spaziali della nazione. Successivamente, il Comando spaziale dell'aeronautica americana ha riferito di aver tracciato 270 nuovi frammenti di detriti, con proiezioni che questo numero aumenterà con il progredire dell'acquisizione dei dati.

Il 15 novembre 2021, il Ministero della Difesa russo ha distrutto il satellite Kosmos 1408, che era in orbita a circa 450 km. Questa azione ha generato "più di 1.500 detriti tracciabili e centinaia di migliaia di detriti non tracciabili", come riportato dal Dipartimento di Stato degli Stati Uniti.

La vulnerabilità intrinseca dei satelliti ai detriti, unita alla possibilità di prendere di mira intenzionalmente i satelliti LEO per generare nuvole di detriti, ha portato a speculazioni sulla fattibilità di tali azioni da parte di nazioni prive di capacità di attacco di precisione. Un impegno distruttivo con un satellite di peso pari o superiore a 10 t (22.000 libbre) infliggerebbe danni sostanziali all'ambiente LEO.

Pericoli

Alla navicella

I detriti orbitali rappresentano un pericolo significativo per i satelliti operativi e i veicoli spaziali. È stato ipotizzato il rischio che l'orbita terrestre diventi impraticabile a causa del crescente rischio di collisione, un fenomeno chiamato sindrome di Kessler.

Tuttavia, dato che il rischio per i veicoli spaziali è correlato all'esposizione a densità elevate di detriti, è più preciso affermare che LEO sarebbe reso inutilizzabile per operazioni orbitali prolungate. Al contrario, la minaccia per i veicoli spaziali in transito LEO in rotta verso orbite più elevate sarebbe notevolmente ridotta a causa della brevità del loro passaggio.

Veicolo spaziale senza equipaggio

Mentre i veicoli spaziali utilizzano comunemente gli scudi Whipple per la protezione, i loro pannelli solari, direttamente esposti alla radiazione solare, sono suscettibili al degrado dovuto a impatti di piccola massa. Anche collisioni minori possono generare una nuvola di plasma, rappresentando un pericolo elettrico per questi pannelli.

Si ipotizza che i micrometeoriti e i piccoli detriti orbitali (MMOD) abbiano causato la distruzione di diversi satelliti. Il primo incidente sospetto riguardò il Kosmos 1275, che cessò le operazioni il 24 luglio 1981, un mese dopo il lancio. Poiché Kosmos era privo di combustibile volatile, non era evidente alcun meccanismo interno che potesse spiegare un'esplosione distruttiva. Tuttavia, questa teoria rimane non dimostrata, con un’ipotesi alternativa che suggerisce un’esplosione della batteria. I dati di tracciamento indicavano che il satellite si era frammentato in 300 oggetti distinti.

Numerosi impatti sono stati successivamente confermati. Ad esempio, il 24 luglio 1996, il microsatellite francese Cerise è stato colpito dai frammenti di un booster dello stadio superiore Ariane 1 H-10, che era esploso nel novembre 1986. Successivamente, il 29 marzo 2006, il satellite per comunicazioni russo Ekspress-AM11 è stato reso inutilizzabile a seguito dell'impatto di un oggetto non identificato. Il 13 ottobre 2009, la Terra ha riscontrato un guasto a una singola cella della batteria e un'anomalia nel controllo del riscaldatore della batteria, entrambi successivamente ritenuti probabili conseguenze di un attacco MMOD. Allo stesso modo, il 12 marzo 2010, Aura ha perso energia da metà di uno dei suoi undici pannelli solari, un evento attribuito a un impatto MMOD. Il 22 maggio 2013, GOES 13 è stato colpito da un MMOD, provocando la perdita della capacità di tracciamento stellare essenziale per mantenere il suo assetto operativo. La navicella spaziale ha impiegato quasi un mese per riprendere la piena operatività.

La prima significativa collisione satellitare è avvenuta il 10 febbraio 2009. Questo incidente ha coinvolto il defunto satellite Kosmos 2251 da 950 kg (2.090 libbre) e l'operativo Iridium 33 da 560 kg (1.230 libbre), che ha avuto un impatto a circa 500 miglia (800 km) sopra la Siberia settentrionale. La velocità relativa dell'impatto era di circa 11,7 km / s (7,3 mi / s), o circa 42.120 km / h (26.170 mph). Entrambi i veicoli spaziali furono distrutti, generando migliaia di nuovi frammenti di detriti più piccoli e facendo precipitare problemi di responsabilità legale e politica irrisolti che persistevano per anni.

Il 22 gennaio 2013, BLITS, un satellite russo con raggio laser, ha subito un impatto con detriti, che successivamente si sospettava provenissero dal test missilistico anti-satellite cinese del 2007. Questa collisione ha alterato sia i parametri orbitali del satellite che la sua velocità di rotazione.

Gli operatori satellitari eseguono spesso manovre per evitare le collisioni, spesso integrando il monitoraggio dei detriti spaziali nei loro processi di pianificazione. Ad esempio, nel gennaio 2017, l’Agenzia spaziale europea ha modificato l’orbita di uno dei suoi tre veicoli spaziali della missione Swarm. Questa azione, basata sui dati del Joint Space Operations Center degli Stati Uniti, mirava a mitigare il rischio di collisione rappresentato da Cosmos-375, un satellite russo defunto.

Veicolo spaziale con equipaggio

Le missioni con equipaggio sono eccezionalmente suscettibili alle congiunzioni con detriti spaziali all'interno delle loro traiettorie orbitali. Sia le manovre intermittenti di evitamento che l'usura cumulativa dei detriti spaziali hanno avuto un impatto sullo Space Shuttle, sulla stazione spaziale Mir e sulla Stazione Spaziale Internazionale.

Missioni dello Space Shuttle

A partire dalle missioni iniziali dello Space Shuttle, la NASA ha sfruttato le capacità di monitoraggio spaziale del NORAD per valutare il percorso orbitale dello shuttle alla ricerca di potenziali detriti. Durante gli anni '80, questo compito avrebbe consumato una parte sostanziale della capacità operativa del NORAD. La manovra inaugurale per evitare la collisione fu eseguita durante l'STS-48 nel settembre 1991, comportando un'accensione del propulsore di sette secondi per eludere i detriti provenienti dal defunto satellite Kosmos 955. Manovre comparabili furono successivamente eseguite nelle missioni 53, 72 e 82.

Un primo incidente che ha evidenziato il problema dei detriti si è verificato durante il secondo volo dello Space Shuttle Challenger, missione STS-7, quando una macchia di vernice ha colpito il finestrino anteriore, creando una fossa di larghezza superiore a 1 mm (0,04 pollici). Successivamente, sull'STS-59 nel 1994, il finestrino anteriore dell'Endeavour presentava una fossa profonda circa la metà. La frequenza degli impatti minori con detriti è aumentata dal 1998 in poi.

Negli anni '90, scheggiature delle finestre e danni minori alle piastrelle del sistema di protezione termica (TPS) erano diventati prevalenti. Di conseguenza, lo Space Shuttle è stato successivamente utilizzato con un orientamento di coda per dirigere una percentuale maggiore di impatti di detriti verso i motori e la stiva di carico posteriore. Questi componenti non vengono utilizzati in orbita o durante la discesa, rendendoli meno critici per le operazioni post-lancio. Una volta attraccata alla Stazione Spaziale Internazionale (ISS), una navetta è stata riorientata per consentire alla stazione più robusta e corazzata di proteggere l'orbiter.

Uno studio della NASA del 2005 ha concluso che i detriti spaziali rappresentavano circa la metà del rischio totale per lo Space Shuttle. Era necessaria una decisione a livello esecutivo per procedere se la probabilità di un impatto catastrofico superava 1 su 200. Per le missioni standard a bassa orbita verso la Stazione Spaziale Internazionale (ISS), il rischio era di circa 1 su 300. Tuttavia, la missione di riparazione del telescopio spaziale Hubble, condotta a un'altitudine orbitale maggiore di 560 km (350 mi), inizialmente ha affrontato un rischio stimato di 1 su 185, in parte attribuito alla collisione satellitare del 2009. Una successiva rianalisi, utilizzando dati migliorati sui detriti, ha ridotto questo rischio stimato a 1 su 221, consentendo alla missione di procedere.

Le successive missioni dello Space Shuttle hanno continuato a riscontrare incidenti legati ai detriti. Durante la missione STS-115 nel 2006, un frammento di un circuito stampato creò una piccola perforazione nei pannelli del radiatore all'interno della stiva dello Space Shuttle americano Atlantis. Allo stesso modo, nel 2007, la missione STS-118 incontrò detriti che causarono una foratura simile a un proiettile in un pannello del radiatore dello Space Shuttle Endeavour degli Stati Uniti.

Mir

Sulla stazione spaziale sovietica Mir è stata osservata un'usura da impatto significativa, principalmente a causa della sua prolungata durata operativa nello spazio con i suoi pannelli solari originali.

Stazione Spaziale Internazionale

La Stazione Spaziale Internazionale (ISS) incorpora la schermatura Whipple per salvaguardare i suoi componenti interni da piccoli impatti di detriti. Tuttavia, gli elementi esterni, in particolare i pannelli solari, presentano sfide per una protezione efficace. Nel 1999, le proiezioni indicavano che i pannelli della ISS avrebbero subito un degrado di circa lo 0,23% in quattro anni, attribuito all'effetto di "sabbiatura" derivante dall'impatto di piccoli detriti orbitali. Una manovra di evitamento viene eseguita di routine per la ISS quando la probabilità di un impatto con detriti supera 1 su 10.000. A gennaio 2014, la ISS aveva eseguito sedici manovre di questo tipo durante i suoi quindici anni in orbita. Nel 2019, sulla ISS sono stati documentati più di 1.400 impatti di meteoroidi e detriti orbitali (MMOD).

Per mitigare ulteriormente i rischi per l'equipaggio di bordo, la direzione operativa della ISS ha ordinato al personale di rifugiarsi nella navicella Soyuz in tre diverse occasioni a seguito di avvisi tardivi di vicinanza di detriti. Al di là dei sedici accensioni dei propulsori e delle tre direttive sul rifugio con capsula Soyuz, un tentativo di manovra è stato interrotto perché il periodo di preavviso di più giorni richiesto, essenziale per caricare la sequenza temporale della manovra sul computer della stazione, non era disponibile. Un incidente degno di nota nel marzo 2009 ha coinvolto detriti ritenuti essere un frammento di 10 cm (3,9 pollici) del satellite Kosmos 1275. Nel 2013, nonostante l'esecuzione del numero record di quattro manovre per evitare i detriti l'anno precedente, la direzione delle operazioni della ISS non ha avviato alcuna manovra di questo tipo.

Sindrome di Kessler

La sindrome di Kessler, un costrutto teorico introdotto dallo scienziato della NASA Donald J. Kessler nel 1978, presuppone uno scenario in cui la concentrazione di oggetti nell'orbita terrestre bassa (LEO) diventa sufficientemente densa da far sì che le collisioni tra di loro avviino un effetto a cascata. Ogni collisione genererebbe ulteriori detriti spaziali, aumentando così la probabilità di impatti successivi. Kessler ipotizzò inoltre che una potenziale conseguenza di un tale evento sarebbe una distribuzione di detriti in orbita che potrebbe rendere le operazioni spaziali e l'utilizzo dei satelliti entro determinati intervalli orbitali economicamente irrealizzabili per numerose generazioni.

L'aumento osservato di oggetti orbitali, derivante da studi condotti alla fine degli anni '90, ha stimolato una notevole discussione all'interno della comunità spaziale riguardo alla portata del problema e ai precedenti gravi avvertimenti. Sulla base della derivazione di Kessler del 1991 e dei successivi aggiornamenti del 2001, si prevedeva che l'ambiente dell'orbita terrestre bassa (LEO) all'interno della fascia di altitudine di 1.000 km (620 mi) avrebbe subito un effetto a cascata. Tuttavia, è stata documentata solo una collisione satellitare significativa: l’incidente del 2009 che ha coinvolto Iridium 33 e Kosmos 2251. Questa apparente assenza di una cascata immediata e diffusa ha spinto a ipotizzare che le proiezioni iniziali potrebbero aver esagerato il problema. Tuttavia, lo stesso Kessler ha osservato nel 2010 che una cascata potrebbe non diventare evidente finché non è significativamente avanzata, un processo che potrebbe durare diversi anni.

Sulla Terra

Mentre la maggior parte dei detriti spaziali viene incenerita al rientro nell'atmosfera, i frammenti più grandi sono in grado di raggiungere la superficie terrestre. La NASA riferisce che, negli ultimi cinquant'anni, una media di un oggetto detriti catalogato è rientrato quotidianamente nell'atmosfera terrestre. Nonostante il potenziale impatto, non è stato registrato alcun danno sostanziale alla proprietà attribuibile a questi detriti. Lo stesso processo di incenerimento atmosferico contribuisce all’inquinamento atmosferico. Inoltre, sono stati scoperti sul terreno vari piccoli serbatoi cilindrici, originariamente progettati per contenere carburante o gas provenienti da oggetti spaziali.

Tracciamento e misurazione

Tracciamento da terra

Gli strumenti principali per il monitoraggio dei detriti spaziali includono sistemi di rilevamento radar e ottici, come il lidar. Mentre gli oggetti più piccoli di 10 cm (4 pollici) mostrano una stabilità orbitale ridotta, è possibile rilevare detriti minuscoli fino a 1 cm; tuttavia, determinare con precisione le loro orbite per la successiva riacquisizione rappresenta una sfida significativa. Una parte sostanziale dei detriti spaziali continua a sfuggire all’osservazione. L'Osservatorio orbitale dei detriti della NASA ha utilizzato un telescopio di transito a specchio liquido da 3 m (10 piedi) per tracciare i detriti spaziali. Le onde radio FM sono in grado di rilevare i detriti attraverso la riflessione su un ricevitore. I sistemi di tracciamento ottico potrebbero fungere da efficace meccanismo di allarme precoce per i veicoli spaziali.

Il Comando strategico degli Stati Uniti mantiene un catalogo completo di oggetti orbitali identificati, impiegando una combinazione di radar terrestri, telescopi e un telescopio spaziale (inizialmente progettato per differenziarsi dai missili ostili). L'iterazione del 2009 di questo catalogo enumerava circa 19.000 oggetti. Ulteriori fonti di dati includono lo Space Debris Telescope dell'ESA, TIRA, i radar Goldstone, Haystack ed EISCAT e il radar Phased Array Cobra Dane. Questi input sono integrati in modelli ambientali di detriti come il Meteoroid and Space Debris Terrestrial Environment Reference (MASTER) dell'ESA.

Misurazione nello spazio

L'hardware spaziale recuperato fornisce informazioni cruciali sulla distribuzione direzionale e sulle caratteristiche compositive del flusso di detriti submillimetrici. Il satellite Long Duration Exposure Facility (LDEF), schierato durante la missione STS-41-C Challenger e successivamente recuperato da STS-32 Columbia, è rimasto in orbita per 68 mesi per raccogliere dati sui detriti spaziali. Allo stesso modo, anche il satellite European Retrievable Carrier (EURECA), schierato da STS-46 Atlantis nel 1992 e recuperato da STS-57 Endeavour nel 1993, è stato determinante nella ricerca sui detriti.

I pannelli solari del telescopio spaziale Hubble, recuperati durante le missioni STS-61 Endeavour e STS-109 Columbia, sono stati sottoposti all'analisi dei loro crateri da impatto da parte dell'ESA per convalidare i modelli esistenti. Inoltre, sono stati esaminati i materiali recuperati dalla stazione spaziale Mir, in particolare quelli dal Mir Environmental Effects Payload, che ha valutato anche i materiali destinati alla Stazione Spaziale Internazionale (ISS).

Diagrammi Gabbard

Le nuvole di detriti originate da eventi singolari vengono analizzate utilizzando grafici a dispersione chiamati diagrammi di Gabbard, che illustrano il perigeo e l'apogeo dei frammenti rispetto al loro periodo orbitale. Le ricostruzioni dei diagrammi di Gabbard per la nube di detriti iniziale, che precede l'influenza delle perturbazioni, vengono eseguite quando i dati lo consentono. Questi diagrammi spesso incorporano dati relativi a frammenti osservati di recente, ma non catalogati. I diagrammi di Gabbard offrono preziose informazioni sulle caratteristiche della frammentazione, inclusa la direzione e il punto preciso di impatto.

Strategie di gestione dei detriti

Negli ultimi cinquant'anni, in media è uscito dall'orbita circa un oggetto tracciato al giorno. Questo tasso aumenta fino a quasi tre oggetti al giorno durante i massimi solari, attribuito all’aumento del riscaldamento atmosferico e all’espansione che porta a una maggiore resistenza, ma diminuisce a circa un oggetto ogni tre giorni durante i minimi solari, che in genere si verificano cinque anni e mezzo dopo. Oltre alle influenze atmosferiche naturali, varie aziende, istituzioni accademiche ed enti governativi hanno avanzato proposte di tecnologie e strategie per affrontare i detriti spaziali. Tuttavia, a novembre 2014, la maggior parte di queste iniziative rimaneva teorica, in mancanza di un piano aziendale concreto per la riduzione dei detriti.

Numerosi studiosi sostengono che i fattori istituzionali, che comprendono le "regole del gioco" politiche, legali, economiche e culturali, costituiscono i principali ostacoli alla bonifica dello spazio vicino alla Terra. Esiste una significativa mancanza di incentivi commerciali per l'intervento, principalmente perché gli oneri finanziari non vengono assegnati ai responsabili dell'inquinamento, nonostante la proposta di varie soluzioni tecnologiche. Tuttavia, l’impatto di questi sforzi rimane finora limitato. Negli Stati Uniti, gli enti governativi sono stati accusati di essersi allontanati da precedenti impegni volti a frenare la proliferazione dei detriti, per non parlare delle sfide più complesse associate alla rimozione dei detriti orbitali. Lo Space Generation Advisory Council, con il contributo di esperti come l'astrofisico francese Fatoumata Kébé, ha intrapreso una valutazione di diverse metodologie per la rimozione dei detriti spaziali.

Nel maggio 2024, l'Ufficio di tecnologia, politica e strategia della NASA ha pubblicato un rapporto che delinea nuovi approcci per la gestione dei detriti orbitali. Questo rapporto, intitolato Analisi dei costi e dei benefici di Mitigating, Tracking, and Remediating Orbital Debris, ha offerto un'analisi esaustiva che metteva a confronto il rapporto costo-efficacia di più di dieci interventi distinti, come la schermatura dei veicoli spaziali, il tracciamento dei detriti più piccoli e la rimozione dei detriti più grandi. Attraverso una valutazione economica di queste misure, lo studio tenta di guidare lo sviluppo di strategie di gestione dei detriti economicamente vantaggiose, sottolineando che tecniche come la rapida deorbitazione di veicoli spaziali defunti possono mitigare sostanzialmente i rischi nell'ambiente spaziale.

Normativa nazionale e internazionale

Nessun trattato internazionale attualmente disciplina la riduzione al minimo dei detriti spaziali. Tuttavia, il Comitato delle Nazioni Unite sugli usi pacifici dello spazio extra-atmosferico (COPUOS) ha pubblicato linee guida volontarie nel 2007, attingendo a vari precedenti sforzi normativi nazionali per stabilire standard di mitigazione dei detriti. Nel 2008, il comitato stava attivamente deliberando sulle "regole della strada" internazionali volte a prevenire le collisioni satellitari. Successivamente, nel 2013, sono emersi diversi quadri giuridici nazionali, implementati principalmente attraverso le licenze di lancio obbligatorie per i lanci spaziali in tutte le nazioni che operano nello spazio.

Nel 2001, gli Stati Uniti hanno stabilito una serie di pratiche standard per la mitigazione dei detriti orbitali, applicabili sia alle operazioni civili (NASA) che militari (DoD e USAF). Questo standard delineava tre metodi principali per lo smaltimento dei veicoli spaziali nelle orbite finali della missione: 1) rientro atmosferico, dove "proiezioni conservative per l'attività solare" indicavano che la resistenza atmosferica limiterebbe la vita orbitale dell'oggetto a un massimo di 25 anni dopo la missione; 2) manovra verso una "orbita di stoccaggio", che prevedeva il trasferimento del veicolo spaziale in uno dei quattro ampi intervalli di orbita di parcheggio designati (2.000–19.700 km (1.200–12.200 mi), 20.700–35.300 km (12.900–21.900 mi), superiore a 36.100 km (22.400 mi), o completamente fuori dall'orbita terrestre in una traiettoria eliocentrica); o 3) "Recupero diretto", che impone la rimozione della struttura dall'orbita non appena possibile dopo il completamento della missione. La prima opzione, che si applica alla maggior parte dei satelliti e agli stadi superiori abbandonati, è comunemente chiamata “regola dei 25 anni”. Sebbene gli Stati Uniti abbiano aggiornato le loro pratiche standard di mitigazione dei detriti orbitali nel dicembre 2019, questa regola di 25 anni è rimasta invariata, nonostante la sensazione prevalente all’interno della comunità spaziale secondo cui il periodo di tempo dovrebbe essere ridotto. Tuttavia, non è stato raggiunto alcun consenso riguardo a un periodo di tempo alternativo.

Nel 2002, l'Agenzia spaziale europea (ESA), in collaborazione con un consorzio internazionale, ha diffuso una serie comparabile di standard che incorporava anche una "regola dei 25 anni" per la maggior parte dei satelliti e degli stadi superiori in orbita terrestre. Le agenzie spaziali europee avevano avviato lo sviluppo di linee guida tecniche a metà degli anni '90, culminando con la firma di un "Codice di condotta europeo" da parte di ASI, UKSA, CNES, DLR ed ESA nel 2006. Questo codice è servito da precursore per lo sviluppo dello standard ISO internazionale iniziato l'anno successivo. Nel 2008, l'ESA ha ulteriormente elaborato i suoi "Requisiti interni sulla mitigazione dei detriti spaziali per i progetti delle agenzie", entrati in vigore il 1 aprile 2008.

Germania e Francia hanno implementato garanzie finanziarie, in particolare emettendo obbligazioni, per proteggere la proprietà da potenziali danni causati dai detriti. L'opzione di "recupero diretto", identificata come metodo numero tre nelle suddette "pratiche standard" statunitensi, è stata raramente eseguita da qualsiasi nazione spaziale (con l'USAF X-37 che è un'eccezione) o entità commerciale sin dall'inizio del volo spaziale, principalmente a causa dei costi sostanziali e delle complessità tecniche coinvolte. Tuttavia, l'ESA ha programmato una missione dimostrativa, ClearSpace-1, per il 2026, con l'obiettivo di eseguire il recupero diretto di un singolo piccolo satellite, PROBA-1, del peso di 94 kg (207 libbre). Il costo previsto per questa missione è di 120 milioni di euro, escluse le spese di lancio.

Entro il 2006, l'Indian Space Research Organization (ISRO) aveva ideato diverse strategie tecniche per la mitigazione dei detriti riguardanti i suoi veicoli di lancio e satelliti, inclusa la passivazione dello stadio superiore e il mantenimento delle riserve di propellente per il trasferimento in orbite cimiterali. Allo stesso tempo, l'ISRO ha partecipato attivamente alle iniziative di coordinamento dei detriti tra agenzie e agli sforzi del comitato COPUOS delle Nazioni Unite.

Nel 2007, l'Organizzazione internazionale per la standardizzazione (ISO) ha avviato lo sviluppo di uno standard internazionale per la mitigazione dei detriti spaziali. Nel 2010, l'ISO ha pubblicato "una serie completa di standard di ingegneria dei sistemi spaziali volti a mitigare i detriti spaziali", con i requisiti primari articolati nello standard di massimo livello, ISO 24113. Sebbene questi standard siano stati in gran parte finalizzati entro il 2017, non sono legalmente vincolanti per alcuna entità soggetta all’ISO o a qualsiasi giurisdizione internazionale. Sono invece previsti per l'adozione volontaria. La loro implementazione può avvenire attraverso l'adozione volontaria da parte di un produttore o operatore di un veicolo spaziale, l'integrazione in un contratto commerciale tra un cliente e un fornitore o l'utilizzo come base per stabilire normative nazionali relative alla mitigazione dei detriti spaziali.

Lo standard ISO volontario incorpora la "regola dei 25 anni" per la "regione protetta LEO", definita come l'area al di sotto dei 2.000 km (1.200 mi) di altitudine. Questa regola, applicata coerentemente dagli standard di mitigazione di Stati Uniti, ESA e Nazioni Unite (a partire dal 2019), stabilisce un "limite superiore per il periodo di tempo in cui un sistema spaziale rimarrà in orbita dopo il completamento della sua missione". Lo standard sottolinea inoltre che "idealmente, il tempo necessario per uscire dall'orbita dovrebbe essere il più breve possibile (ovvero molto inferiore a 25 anni)".

Nel 2017, Holger Krag dell'Agenzia spaziale europea (ESA) ha segnalato l'assenza di un quadro normativo internazionale vincolante per i detriti spaziali, rilevando una mancanza di progressi all'interno dell'organismo competente delle Nazioni Unite a Vienna.

Strategie di mitigazione per la crescita dei detriti

Durante gli anni 2010 sono state implementate varie strategie tecniche per mitigare la proliferazione dei detriti spaziali. Tuttavia, per i detriti spaziali non è ancora stato sviluppato un quadro giuridico completo o un meccanismo strutturato di assegnazione dei costi paragonabile a quelli che hanno ridotto l'inquinamento terrestre dalla metà del XX secolo.

Sono state diffuse linee guida internazionali per ridurre la generazione di nuovi detriti spaziali. Queste raccomandazioni comprendono la riduzione al minimo del rilascio di detriti durante le operazioni di routine, la prevenzione di eventi di frammentazione in orbita e l’implementazione di protocolli di smaltimento post-missione e di prevenzione delle collisioni. Inoltre, la NASA ha emesso direttive ingegneristiche esaustive per la limitazione dei detriti orbitali all'interno della sua documentazione sugli standard tecnici.

Per prevenire l'eccessivo accumulo di detriti spaziali artificiali, numerosi, anche se non tutti, i satelliti destinati a orbite al di sopra dell'orbita terrestre bassa vengono inizialmente dispiegati in traiettorie ellittiche con perigei situati all'interno dell'atmosfera terrestre. Questa configurazione garantisce un rapido decadimento orbitale e la successiva distruzione dei satelliti al rientro atmosferico. Per i veicoli spaziali in orbite più elevate vengono impiegate strategie alternative, inclusa la passivazione del veicolo spaziale al termine della sua vita operativa. Inoltre, alcune missioni utilizzano stadi superiori in grado di riaccendersi per decelerare e deorbitare intenzionalmente lo stadio, spesso all'interno della prima o della seconda orbita dopo il dispiegamento del carico utile. Alcuni satelliti, se rimangono funzionanti per diversi anni, possiedono la capacità di auto-deorbita dalle orbite terrestri inferiori. Inoltre, altri satelliti in orbita bassa, come molti CubeSat che operano al di sotto di circa 400 km (250 mi) di altitudine, fanno affidamento sugli effetti di dissipazione dell'energia dell'alta atmosfera per ottenere un deorbiting affidabile entro un arco di tempo di settimane o mesi.

Una tendenza crescente prevede la passivazione degli stadi superiori esauriti in orbite più elevate, dove le manovre di deorbita a basso delta-v sono irrealizzabili o non pianificate, e l'implementazione di architetture satellitari che facilitano passivazione al termine della loro vita operativa. Questo processo elimina qualsiasi energia interna residua all'interno del veicolo al termine della missione, riducendo così in modo significativo la probabilità di frammentazione del veicolo spaziale e di generazione di numerosi detriti più piccoli. Tale frammentazione era un problema diffuso tra molte delle prime generazioni di veicoli spaziali statunitensi e sovietici.

La passivazione dello stadio superiore, esemplificata dai booster Delta, comporta il rilascio di propellenti residui per mitigare i detriti risultanti dalle esplosioni orbitali. Tuttavia, fino al 2011, questa pratica non era adottata universalmente in tutte le fasi superiori. Nel 2019, SpaceX ha utilizzato il termine "passivazione propulsiva" per descrivere la manovra finale del secondo stadio Falcon 9 durante la missione dimostrativa STP-2 di sei ore per l'aeronautica americana, sebbene non sia stata fornita una definizione completa di questo termine.

Una proposta di politica di licenza di lancio "one-up, one-down" per le orbite terrestri imporrebbe ai fornitori di lancio di incontrarsi, catturare e deorbitare un satellite abbandonato da un piano orbitale comparabile. Un’ulteriore strategia di mitigazione prevede il rifornimento robotico dei satelliti. La NASA ha condotto missioni sperimentali in questo ambito e SpaceX sta sviluppando attivamente tecnologie di trasferimento di propellente in orbita su larga scala.

Un approccio alternativo alla mitigazione dei detriti prevede la progettazione di architetture di missione per lasciare intenzionalmente il secondo stadio del razzo in un'orbita geocentrica ellittica con un perigeo basso. Questo design garantisce un rapido decadimento orbitale, prevenendo così l'accumulo a lungo termine di detriti orbitali dai corpi dei razzi esausti. Le missioni che impiegano questa strategia in genere ottengono il posizionamento finale del carico utile in orbita attraverso l'applicazione della propulsione elettrica a bassa spinta o utilizzando un piccolo stadio di spinta per circolarizzare la traiettoria. Il kick stage stesso può essere progettato con una capacità di propellente in eccesso per facilitare la propria deorbita.

Rimozione autonoma dei detriti

L'Unione internazionale delle telecomunicazioni (ITU) impone che i satelliti geostazionari passino a un'orbita cimiteriale al completamento della missione; tuttavia, queste zone orbitali designate offrono una protezione inadeguata contro i detriti per le corsie dell'orbita terrestre geostazionaria (GEO). I componenti dei veicoli spaziali, come gli stadi di razzi o i satelliti, che possiedono propellente sufficiente possono eseguire una deorbita diretta e controllata. In alternativa, se le riserve di propellente sono insufficienti, un satellite può essere manovrato in un'orbita dove la resistenza atmosferica ne faciliterà progressivamente la deorbita. Un esempio di questa strategia ha coinvolto il satellite francese Spot-1, il cui periodo di rientro atmosferico previsto è stato ridotto da 200 anni a circa 15 anni abbassando la sua altitudine da 830 km (516 mi) a circa 550 km (342 mi).

La costellazione Iridium, comprendente 95 satelliti per comunicazioni dispiegati tra il 1997 e il 2002, offre preziose informazioni sui limiti delle capacità di deorbitazione autonoma. Iridium Communications, l'operatore, ha mantenuto le operazioni per tutti i due decenni di vita dei satelliti, nonostante una ristrutturazione aziendale che ha comportato il fallimento e il cambio di nome. A dicembre 2019, la società ha segnalato il "completamento dello smaltimento dell'ultimo dei suoi 65 satelliti legacy funzionanti". Tuttavia, questa iniziativa ha lasciato 30 satelliti, del peso complessivo di 20.400 kg (45.000 libbre), quasi un terzo della massa totale della costellazione, in orbita terrestre bassa (LEO) a circa 700 km (430 mi) di altitudine, dove il naturale decadimento orbitale è prolungato. Tra questi, 29 satelliti hanno subito guasti in orbita, rendendoli incapaci di uscire dall'orbita. Il satellite rimanente, Iridium 33, è stato coinvolto in una collisione nel 2009 con il defunto satellite militare russo Kosmos-2251. Non era stata stabilita alcuna strategia di emergenza per la rimozione dei satelliti che non potevano uscire dall'orbita autonomamente. Nel 2019, il CEO di Iridium Matt Desch ha indicato la volontà di compensare un'azienda di rimozione dei detriti attivi per la deorbita dei rimanenti satelliti di prima generazione, a condizione che il costo fosse eccezionalmente basso, come "10.000 dollari per deorbita". Tuttavia, ha ammesso che questa cifra è probabilmente significativamente inferiore a un'offerta realistica da parte di una società del genere, affermando: "'Sai a che punto [è] un gioco da ragazzi, ma [mi] aspetto che il costo sia davvero nell'ordine di milioni o decine di milioni [di dollari], a quel prezzo so che non ha senso.'"

Varie metodologie passive sono state avanzate per accelerare il tasso di decadimento orbitale dei detriti spaziali. Uno di questi concetti prevede di dotare un veicolo spaziale di un cavo elettrodinamico al momento del lancio, che verrebbe utilizzato alla fine della sua vita operativa per decelerare il velivolo. Ulteriori proposte comprendono stadi di booster integrati con attacchi a forma di vela e l'uso di involucri di palloncini gonfiabili grandi e sottili.

Alla fine di dicembre 2022, l'Agenzia spaziale europea (ESA) ha dimostrato con successo un deorbiter satellitare basato su vela frenante, denominato ADEO. Questa tecnologia è destinata alle strategie di mitigazione dei detriti e costituisce una componente dell'iniziativa Zero Debris dell'ESA. Circa un anno prima, la Cina aveva anche condotto test su una vela da trascinamento.

Rimozione detriti esterni

Sono stati proposti, studiati o sviluppati numerosi approcci con sottosistemi terrestri, tutti mirati a utilizzare altri veicoli spaziali per la rimozione dei detriti spaziali esistenti.

Un consenso è emerso tra i relatori in un incontro dell'ottobre 2012 a Bruxelles, in Belgio, co-organizzato dal think tank statunitense Secure World Foundation e dall'Istituto francese per le relazioni internazionali. I partecipanti hanno concluso che la rimozione dei detriti più grandi è fondamentale per evitare un rischio inaccettabile per i veicoli spaziali operativi nel prossimo futuro, senza aumentare ulteriormente la popolazione di veicoli spaziali defunti nell’orbita terrestre bassa (LEO). A partire dal 2019, gli elevati costi associati alla rimozione e le complesse questioni legali relative alla proprietà e all'autorizzazione per la deorbitazione dei satelliti defunti hanno ostacolato iniziative sia nazionali che internazionali. L'attuale legislazione spaziale stabilisce che la proprietà di tutti i satelliti, compresi i detriti o i veicoli spaziali defunti che rappresentano una minaccia per le missioni attive, rimanga ai loro operatori originali.

Durante la fine degli anni 2010, diverse aziende hanno formulato strategie per la rimozione esterna dei loro satelliti dalle orbite medie della LEO. Ad esempio, OneWeb ha designato l'autorimozione a bordo come "piano A" per la deorbitazione dei satelliti a fine vita. Se un satellite non fosse riuscito a uscire autonomamente dall'orbita entro un anno dalla sua conclusione operativa, OneWeb intendeva attivare il "piano B", schierando un rimorchiatore spaziale riutilizzabile e multi-missione. Questo rimorchiatore si attaccherebbe al satellite utilizzando un dispositivo di presa preinstallato su un bersaglio di cattura designato, rimorchiandolo successivamente in un'orbita inferiore per il rientro controllato.

Veicoli controllati a distanza

Un'importante soluzione proposta prevede l'impiego di un veicolo telecomandato per intercettare, proteggere, stabilizzare e trasportare i detriti spaziali in una struttura centrale designata. Un esempio di questo approccio è il sistema Space Infrastructure Servicing (SIS), un veicolo spaziale commerciale per il rifornimento e la manutenzione progettato per satelliti di comunicazione geostazionari, il cui lancio era inizialmente previsto per il 2015. Si prevede che il sistema SIS possieda la capacità di ricollocare i satelliti defunti in orbite di smaltimento. Inoltre, la serie di stadi superiori Advanced Common Evolved Stage è in fase di sviluppo con sostanziali riserve di propellente residuo, destinate a catturare e deorbitare oggetti abbandonati, insieme a capacità di rifornimento nello spazio per raggiungere il significativo delta-v necessario per deorbitare oggetti massicci dall'orbita geosincrona. La ricerca ha anche esplorato il concetto di un satellite simile a un rimorchiatore progettato per manovrare i detriti in una traiettoria di rientro atmosferico sicura per l'incenerimento. Dopo aver identificato i detriti, questo satellite stabilirebbe una potenziale differenza tra se stesso e l'oggetto, utilizzando successivamente i suoi propulsori per spingere sia se stesso che i detriti in un'orbita più sicura.

Una variante di questo metodo prevede che un veicolo controllato a distanza intercetti i detriti, fissandoli temporaneamente per collegare un satellite più piccolo in deorbita e quindi utilizzando un cavo per trainare i detriti in una posizione predeterminata. Successivamente, il veicolo spaziale primario trasporterebbe i detriti combinati e il piccolo sistema satellitare per il rientro atmosferico o per il trasferimento in un'orbita cimiteriale. Un esempio di questo concetto è il proposto Busek ORbital DEbris Remover, progettato per dispiegare oltre 40 satelliti SUL (satellite su linea ombelicale) deorbitanti e trasportare propellente adeguato per il loro dispiegamento e la rimozione dei detriti.

Il 7 gennaio 2010, Star, Incorporated ha annunciato di aver ottenuto un contratto dallo Space and Naval Warfare Systems Command per condurre uno studio di fattibilità sull'ElectroDynamic Debris Eliminator, un veicolo spaziale senza propellente progettato per la rimozione di detriti spaziali. Nel febbraio 2012, il Centro spaziale svizzero dell'École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) ha presentato il progetto Clean Space One, un'iniziativa dimostrativa di nanosatelliti volta a raggiungere un incontro orbitale con un nanosatellite svizzero defunto, catturandolo e deorbitando congiuntamente. Questa missione ha subito molteplici iterazioni progettuali, culminate in un meccanismo di cattura ispirato al concetto di Pac-Man. Nel 2013 è stata condotta una ricerca sullo Space Sweeper con Sling-Sat, un satellite dotato di rampino progettato per catturare e successivamente espellere i detriti. Nel 2022, il satellite cinese SJ-21 ha agganciato con successo un satellite inattivo e lo ha manovrato in un'orbita con un rischio di collisione ridotto.

Nel dicembre 2019, l'Agenzia spaziale europea (ESA) ha concesso il suo contratto inaugurale per la bonifica dei detriti spaziali. Il lancio di questa missione da 120 milioni di euro, denominata ClearSpace-1 (un derivato del progetto EPFL), è previsto per il 2026. Il suo obiettivo è rimuovere dall'orbita il satellite PROBA-1 da 94 kg. Un veicolo spaziale "cacciatore" utilizzerà quattro bracci robotici per proteggere i detriti e guidarli nell'atmosfera terrestre, dove si prevede che entrambi gli oggetti si disintegreranno al rientro.

Metodologie basate sul laser

Il concetto di scopa laser utilizza un laser a terra per asportare la superficie principale dei detriti, generando una spinta propulsiva che decelera e stabilizza l'oggetto. L'applicazione prolungata di questa tecnica farebbe sì che i detriti scendano sufficientemente da essere influenzati dalla resistenza atmosferica. Alla fine degli anni '90, il progetto Orion dell'aeronautica americana ha esplorato il design di una scopa laser. Mentre un dispositivo da banco di prova era previsto per il lancio dello Space Shuttle nel 2003, i trattati internazionali che vietavano i test laser ad alta potenza in orbita ne limitavano l'applicazione alle misurazioni osservative. Il disastro dello Space Shuttle Columbia del 2003 ritardò successivamente il progetto e, come notato da Nicholas Johnson, capo scienziato e direttore del programma per l'Orbital Debris Program Office della NASA, "Numerose complessità e sfide furono identificate nel rapporto finale di Orion, spiegando perché il progetto è rimasto incompiuto per oltre un decennio."

Il momento fotonico dei raggi laser potrebbe generare una spinta sufficiente per spingere piccoli detriti in orbite alternative, mitigando così i rischi di collisione con i satelliti operativi. Uno studio della NASA del 2011 ha dimostrato che un raggio laser diretto verso i detriti spaziali potrebbe impartire un impulso di 1 mm (0,039 pollici) al secondo, con un'applicazione giornaliera prolungata per diverse ore, alterando potenzialmente la traiettoria dei detriti di 200 m (660 piedi) al giorno. Tuttavia, uno svantaggio significativo è il rischio di degrado del materiale, in cui l’energia laser potrebbe frammentare i detriti, esacerbando il problema esistente. Un altro concetto prevede il posizionamento di un laser su un satellite in un’orbita eliosincrona, utilizzando un raggio pulsato per deorbitare i satelliti e accelerare il loro rientro nell’atmosfera. Proposte alternative includono la sostituzione del laser con uno Ion Beam Shepherd o l'utilizzo di metodi come palline di schiuma di aerogel, spruzzi d'acqua, palloncini gonfiabili, attacchi elettrodinamici, elettroadesione e armi antisatellitari specializzate.

Reti

Il 28 febbraio 2014, la Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) ha lanciato un prototipo di satellite "space net". Questa distribuzione è servita esclusivamente come test operativo. Successivamente, nel dicembre 2016, il Giappone ha lanciato un raccoglitore di detriti spaziali a bordo di Kounotori 6 verso la Stazione Spaziale Internazionale (ISS), dove i ricercatori JAXA hanno tentato di rimuovere i detriti orbitali utilizzando un sistema di collegamento. Tuttavia, il sistema non è riuscito a dispiegare un cavo di 700 metri dal veicolo di rifornimento durante la sua traiettoria di ritorno sulla Terra. La missione è stata ufficialmente dichiarata fallita il 6 febbraio, con il ricercatore capo Koichi Inoue che informava i giornalisti della convinzione che il cavo non fosse stato rilasciato.

Dal 2012 al 2018, l'Agenzia spaziale europea (ESA) ha sviluppato un concetto di missione per rimuovere notevoli detriti spaziali dall'orbita, utilizzando tentacoli o reti meccanici. Questa missione, denominata e.Deorbit, mirava a estrarre detriti superiori a 4.000 chilogrammi (8.800 libbre) dall'orbita terrestre bassa (LEO). I metodi di cattura studiati includevano reti, arpioni e bracci robotici integrati e meccanismi di bloccaggio, che funzionavano anche come sistemi di smantellamento. Tuttavia, i finanziamenti per e.Deorbit sono cessati nel 2018, con le risorse reindirizzate alla missione ClearSpace-1, attualmente in fase di sviluppo.

Arpione

La missione RemoveDEBRIS è progettata per valutare l'efficacia di varie tecnologie di rimozione dei detriti attivi (ADR) contro obiettivi simulati nell'orbita terrestre bassa. Per i suoi obiettivi sperimentali, la piattaforma incorpora una rete, un arpione, uno strumento laser, una vela dragsail e due CubeSat (satelliti di ricerca in miniatura). Questa missione è iniziata il 2 aprile 2018.

Riciclaggio dei detriti spaziali

CisLunar Industries sta sviluppando tecnologie di lavorazione dei metalli per sciogliere i detriti spaziali e convertirli in varie forme utili. Il loro sistema proprietario utilizza il riscaldamento elettromagnetico per liquefare il metallo, modellandolo successivamente in fili, lamiere e combustibile metallico.

Riutilizzo dei detriti spaziali

Il Neumann Drive, un sistema di propulsione sviluppato ad Adelaide, nell'Australia meridionale, è stato lanciato per la prima volta nello spazio nel giugno 2023. Questo sistema converte i detriti spaziali metallici in barre di combustibile, che vengono poi integrate nel Neumann Drive, trasformando efficacemente il propellente metallico solido in plasma. Il Neumann Drive è progettato per essere adottato dalle compagnie spaziali americane che attualmente utilizzano reti o bracci robotici per la cattura dei detriti orbitali. Questo propulsore faciliterebbe il ritorno di questi satelliti sulla Terra con i rifiuti raccolti, consentendo di sciogliere il materiale e riproporlo come combustibile aggiuntivo.

Barriere nella gestione dei detriti

I rapidi progressi nei settori dell'informatica e della digitalizzazione hanno portato a un maggiore impegno nelle attività spaziali da parte di numerose nazioni e aziende dall'inizio del 21° secolo. La tragedia dei beni comuni, una teoria economica, descrive uno scenario in cui il perseguimento individuale dell’interesse personale nell’utilizzo di una risorsa condivisa si traduce alla fine nel suo degrado collettivo. Applicando questa teoria, si prevede che le azioni individuali razionali nello spazio producano un risultato collettivo irrazionale: congestione orbitale dovuta all’accumulo di detriti. Le orbite terrestri, in particolare l'orbita terrestre bassa (LEO) e l'orbita terrestre geostazionaria (GEO) che ospitano la maggior parte dei satelliti, funzionano come risorse comuni, caratterizzate da non escludibilità e rivalità.

Numerose strategie tecniche sono state ideate per mitigare questo problema e promuovere la sostenibilità spaziale. Per quanto riguarda i quadri di governance, un approccio centralizzato e dall’alto verso il basso è ritenuto meno efficace per affrontare l’intricata sfida dei detriti, data la proliferazione di attori spaziali. Di conseguenza, è stato proposto un modello di governance policentrico, concettualizzato da Elinor Ostrom, sebbene lo sviluppo e l'implementazione globali di questa rete policentrica rimangano incompleti.

Dati incompleti sui detriti spaziali

Dato che i detriti orbitali costituiscono una sfida globale che ha un impatto sia sulle nazioni spaziali che su quelle non spaziali, la loro gestione richiede un approccio mondiale. I movimenti complessi e dinamici degli oggetti celesti, inclusi veicoli spaziali, detriti e meteoriti, hanno spinto numerosi paesi e regioni, come Stati Uniti, Europa, Russia e Cina, a stabilire capacità di Space Situational Awareness (SSA). Questi sistemi mirano a mitigare le potenziali minacce spaziali e a facilitare la pianificazione operativa proattiva. In una certa misura, la SSA contribuisce al tracciamento dei detriti spaziali. Lo sviluppo di un solido sistema SSA si basa fondamentalmente su due prerequisiti: la collaborazione internazionale e lo scambio globale di informazioni e dati. Tuttavia, nonostante i progressi compiuti nella qualità dei dati negli ultimi decenni, persistono limitazioni significative. Alcune potenze spaziali si dimostrano riluttanti a condividere le informazioni raccolte, mentre altre, come gli Stati Uniti, divulgano i dati in modo selettivo, conservandone alcune parti come classificate. Di conseguenza, numerosi programmi SSA e database nazionali operano in parallelo, spesso con sforzi ridondanti, anziché integrarsi in un quadro coordinato, impedendo così la creazione di un'infrastruttura di monitoraggio veramente collaborativa.

Inoltre, gli enti privati sono attivamente impegnati nello sviluppo dei sistemi SSA. Un esempio illustrativo è la Space Data Association (SDA), fondata nel 2009 come organizzazione non governativa. Questa associazione comprende 21 operatori satellitari globali e quattro membri esecutivi: Eutelsat, Inmarsat, Intelsat e SES. La SDA funziona come una piattaforma senza scopo di lucro, dedicata a prevenire le interferenze radio e le collisioni spaziali aggregando in modo indipendente i dati degli operatori membri. La ricerca accademica sottolinea la necessità fondamentale di un hub internazionale dedicato allo scambio di informazioni sui detriti spaziali. Questa necessità nasce perché le reti generali della SSA non sono del tutto equivalenti ai sistemi specializzati di tracciamento dei detriti; i primi si concentrano principalmente su oggetti attivi e potenzialmente pericolosi in orbita. Di conseguenza, i contributi di dati da parte degli operatori riguardanti le popolazioni di detriti e i satelliti defunti rimangono limitati.

All'interno di un quadro di governance policentrica, le risorse prive di un monitoraggio completo sono intrinsecamente meno suscettibili di una gestione efficace. Le attuali carenze sia nella cooperazione transnazionale che nello scambio di informazioni ostacolano in modo significativo gli sforzi per risolvere la sfida dei detriti orbitali. Sono ancora necessari progressi sostanziali per creare una rete globale caratterizzata da una copertura completa dei dati, una solida interconnessione e un'interoperabilità senza soluzione di continuità.

Partecipazione insufficiente di attori privati

La crescente commercializzazione della tecnologia satellitare e delle operazioni spaziali ha favorito un crescente interesse da parte del settore privato per le attività legate allo spazio. Ad esempio, SpaceX sta sviluppando una costellazione di circa 12.000 piccoli satelliti progettati per fornire accesso globale a Internet ad alta velocità. Questa tendenza si riflette nella crescita sostanziale dei veicoli spaziali commerciali, che costituivano il 4,6% del totale negli anni ’80 e sono saliti al 55,6% negli anni 2010. Nonostante questo significativo impegno commerciale, il Comitato delle Nazioni Unite sugli usi pacifici dello spazio extra-atmosferico (COPUOS) storicamente escludeva gli enti privati dalla partecipazione alle discussioni a meno che non fossero formalmente invitati da uno Stato membro. Come articolato da Ostrom, l’inclusione di tutti i soggetti interessati nei processi di progettazione e implementazione delle regole è una componente fondamentale di una governance efficace. Di conseguenza, l'esclusione degli attori privati diminuisce sostanzialmente l'efficacia della capacità del comitato delle Nazioni Unite di formulare accordi di scelta collettiva che rappresentino in modo completo gli interessi di tutti gli utenti dello spazio.

Il coinvolgimento limitato di soggetti privati ostacola i progressi nella mitigazione dei detriti spaziali. Le interconnessioni tra le varie parti interessate all’interno del quadro di governance facilitano l’accesso a un ampio spettro di risorse. Diverse competenze tra le parti interessate possono ottimizzare l’allocazione dei compiti. Di conseguenza, la conoscenza specializzata e l’esperienza pratica degli operatori privati sono cruciali per la sostenibilità spaziale globale. I punti di forza sinergici dei vari stakeholder migliorano l'adattabilità della rete di governance alle condizioni in evoluzione e la sua efficacia nel raggiungimento degli obiettivi condivisi. Recentemente, numerosi enti privati hanno individuato prospettive commerciali nella bonifica dei detriti spaziali. Una proiezione del 2018 indicava che il mercato globale per il monitoraggio e la rimozione dei detriti avrebbe raggiunto circa 2,9 miliardi di dollari di entrate entro il 2022. Ad esempio, nel 2021, Astroscale si è assicurata contratti con le agenzie spaziali europee e giapponesi per promuovere le capacità di rimozione dei detriti orbitali. Tuttavia, il numero di tali attori privati rimane modesto rispetto agli enti che hanno utilizzato i satelliti. Privateer Space, una startup hawaiana co-fondata dall'ingegnere americano Alex Fielding, dall'ambientalista spaziale Moriba Jah e dal co-fondatore di Apple Steve Wozniak, ha dichiarato l'intenzione nel settembre 2021 di schierare centinaia di satelliti per la ricerca sui detriti spaziali. Tuttavia, la società ha successivamente indicato che stava operando in "modalità invisibile" e che nessun satellite di questo tipo è stato ancora lanciato.

Fortunatamente, l'esplorazione spaziale non è spinta esclusivamente dalla competizione, ma offre opportunità di dialogo e collaborazione tra tutte le parti interessate, sia nei paesi sviluppati che in quelli in via di sviluppo, per stringere accordi sulla mitigazione dei detriti spaziali e garantire un'esplorazione equa e ordinata. Al di là degli enti privati, la governance della rete non preclude di per sé la partecipazione degli Stati. Piuttosto, le varie funzioni governative potrebbero facilitare il processo di governance. Per migliorare la rete di governance policentrica per i detriti spaziali, i ricercatori propongono di: promuovere la condivisione dei dati tra diversi database nazionali e organizzativi a livello politico; stabilire standard comuni per i sistemi di raccolta dati per potenziare l’interoperabilità; e aumentare il coinvolgimento degli attori privati attraverso la loro inclusione nelle deliberazioni nazionali e internazionali.

Su altri corpi celesti

La proliferazione di detriti spaziali rappresenta una sfida di mitigazione per le missioni lunari, dato il rischio di accumulare ulteriori detriti nelle vicinanze della Luna.

Il 4 marzo 2022, detriti spaziali di fabbricazione umana, ritenuti essere il corpo del razzo Long March 3C esaurito della missione Chang'e 5 T1 del 2014, secondo quanto riferito hanno colpito la superficie lunare, segnando il primo evento di questo tipo e creando un doppio cratere imprevisto.

In Nel 2022, su Marte sono stati identificati diversi componenti di detriti spaziali, tra cui il guscio posteriore di Perseverance sulla superficie del cratere Jezero e un segmento di una coperta termica potenzialmente proveniente dalla fase di discesa del rover.

Entro febbraio 2024, Marte aveva accumulato circa sette tonnellate di detriti generati dall'uomo, comprendenti principalmente veicoli spaziali precipitati e defunti insieme a componenti della missione scartati.

Nella cultura popolare

Il dramma di fantascienza francese del 1991 Fino alla fine del mondo presenta una narrazione incentrata su un satellite nucleare indiano non controllato, progettato per rientrare nell'atmosfera terrestre, rappresentando una minaccia per le regioni densamente popolate.

Nella produzione della Walt Disney Pictures del 2009 G-Force, il personaggio Speckles, doppiato da Nicolas Cage, escogita un piano per sradicare l'umanità attraverso un colossale bombardamento globale di detriti spaziali, che rende la superficie terrestre inabitabile.

Il film di sopravvivenza Gravity di Alfonso Cuaron del 2013 descrive un evento catastrofico di missione spaziale innescato dalla sindrome di Kessler.

Episodio 11, "Helping Hand", dalla prima stagione di Love, Death & Robots (2019), ritrae un astronauta sloggiato da un satellite in orbita dopo essere stato colpito da una vite lanciata da detriti spaziali.

La serie manga e anime Planetes racconta le esperienze di un equipaggio della stazione Space Debris incaricato di raccogliere e smaltire i detriti orbitali.

Oltre alla loro rappresentazione come problema centrale nella fantascienza, i detriti spaziali fungono anche da elemento narrativo o sfondo ambientale in altre storie, come quelle sullo spazio spazzini di spazzatura come Space Sweepers (2021).

L'episodio Conflitto, della serie televisiva di fantascienza U.F.O. di Gerry e Sylvia Anderson, illustra uno scenario in cui minuscoli veicoli spaziali alieni sfruttano detriti spaziali terrestri, in particolare booster orbitali, per eludere il rilevamento da parte dello Space Intruder Detector orbitale di SHADO.

Detriti spaziali (Space debris)