Den absurda fysiken bakom att fånga rymdskräp i 27 000 kilometer i timmen

Om du får motorstopp på motorvägen drar en bärgningsbil upp bakom din stötfångare, kopplar på en stålkabel och drar dig till närmaste mekaniker. Att göra samma sak i låg omloppsbana kräver att man matchar hastigheten med en flertonscylinder av dött raketmetall som far genom vakuumet tio gånger snabbare än en gevärskula.

Låg omloppsbana är nedskräpad med årtionden av rymdskrot. När raketer levererar satelliter i omloppsbana faller deras tomma övre steg inte magiskt tillbaka till jorden. De förblir fångade i gravitationen och cirkulerar runt planeten tillsammans med död kommunikationsutrustning och tusentals splitterfragment. En kollision mellan två stora övergivna föremål skulle kunna utlösa en okontrollerbar kedjereaktion av skräp, som skulle förstöra kommersiella satelliter och slå ut väderövervaknings- och navigationssystem.

För att avvärja en katastrof i omloppsbana lanserar rymdingenjörer specialiserade rymdrensare. Målet låter enkelt: möta döda satelliter, haka fast vid dem och dra dem in i atmosfären för att brinna upp. I praktiken är det ett av de mest krävande fysikproblemen inom modern ingenjörskonst.

Dockning med ett tumlande mål

Att docka med den internationella rymdstationen är relativt enkelt eftersom stationen aktivt koordinerar med närmande rymdfarkoster. Den avfyrar sina manövermotorer för att stabilisera sin orientering, sänder ut GPS-koordinater och tillhandahåller laserreflektorer och standardiserade dockningskopplingar.

Rymdskräp erbjuder inget av detta. En övergiven raketkropp är ett helt icke-kooperativt mål. Den har ingen ström, ingen radiosändare och ingen avsikt att hålla sig stilla. Under år i omloppsbana orsakar små asymmetrier i solstrålning och kvarvarande utsläpp att dessa flertonshöljen av metall tumlar och rullar oförutsägbart.

Att närma sig en tumlande bit rymdartilleri kräver sensorer som kan kartlägga ett objekt i realtid utan några radiokoder. Om jaktfarkosten felberäknar med ens en bråkdel av en meter per sekund, kommer den att ramma skräpet och skapa tusentals helt nya höghastighetsprojektiler istället för att eliminera en.

Mekaniken hos den orbitala stalkern

Den privata sektorn bevisar att dessa nära-hålls-manövrar i omloppsbana faktiskt är möjliga. Det japanska rymdföretaget Astroscale designade en demonstrationsrymdarkost kallad ADRAS-J i samarbete med JAXA för att spåra ett 15 år gammalt kasserat H-IIA-raketsteg.

Målsteget var massivt – ungefär 11 meter långt och fyra ton i vikt – och hade flutit dött i omloppsbana sedan 2009. ADRAS-J använde markradar för att komma in i det allmänna området, och övergick sedan till sina egna optiska kameror och lidarsensorer för att jaga raketsteget.

Som dokumenterats av Astroscale, minskade servicefarkosten avståndet från flera hundra kilometer ner till bara 15 meter. ADRAS-J matchade den tumlande raketens exakta hastighet och snurrade bredvid den, och tog detaljerade bilder av hårdvaran för att bevisa att en autonom jaktfarkost kunde förfölja icke-kooperativt skräp utan att utlösa en kollision.

Det mekaniska greppet

Att titta på rymdskräp är bara halva striden; den verkliga utmaningen är att gripa tag i det. Nästa fas av projektet, ADRAS-J2, syftar till att använda specialiserade robotarmar för att fysiskt klämma fast vid raketens strukturella munstycksring.

När den är säkrad avfyrar jaktfarkosten sina egna manövermotorer mot färdriktningen i omloppsbana. Denna retro-bränning minskar omloppshastigheten, vilket sänker den kombinerade farkostens höjd tills atmosfärisk friktion tar över, och förångar båda maskinerna i en kontrollerad eldboll över obebodda havsvatten.

Vi tillbringade sextio år med att skjuta upp hårdvara i rymden utan att bygga en enda sopsortering. Nu beror den orbitala ekonomins överlevnad på autonoma bärgningsbilar som är modiga nog att brotta ner döda raketer från himlen.