אפקט קסלר

אפקט קסלר, המכונה גם סינדרום קסלר, הוא תרחיש שהוצע על ידי מדעני נאס"א דונלד קסלר וברטון ג'י קור-פאלה ב-1978. הוא מתאר מצב בו צפיפות העצמים במסלול לוויני נמוך הופכת כה גבוהה עקב פסולת חלל, שהתנגשויות בין העצמים הללו הולכות ומתרבות, ולאורך זמן מגדילות באופן אקספוננציאלי את כמות פסולת החלל. הגידול בכמות פסולת חלל מסכן לוויינים, משימות חלל ואת תחנת החלל הבינלאומית, ועלול להפוך אזורים מסוימים לבלתי שמישים ולאיים על קיימות פעילויות החלל במשך דורות רבים. בשנת 2009, כתב קסלר כי תוצאות המודלים מצביעות על כך שסביבת הפסולת כבר הפכה לא יציבה, כלומר המאמצים להשיג סביבת פסולת קטנה ויציבה על ידי חיסול מקורות הפסולת בעבר ייכשלו ככל הנראה, מכיוון שקצב הצטברות של שברים מהתנגשויות עתידיות צפוי להיות גבוה מקצב הפחתת השברים על ידי גרר אטמוספירי. אפקט קסלר מדגיש את הצורך הקריטי בניהול יעיל של תנועת חלל כדי להבטיח את הכדאיות ארוכת הטווח של חקר וניצול החלל.

 היסטוריה 
 NORAD, גאבארד וקסלר 
טקסט=Debris graph of altitude and orbital period|ממוזער| דיאגרמת גאבארד של כ-300 חלקי פסולת מהתפוררות השלב השלישי של המאיץ הסיני Long March 4 ב-11 במרץ 2000
לאחר שיגור ספוטניק 1 ב-1957, הקים פיקוד ההגנה האווירית והחלל של צפון אמריקה, NORAD, מסד נתונים של כל שיגורי הרקטות והעצמים הידועים שהגיעו למסלול סביב כדור הארץ: לוויינים, מגנים ורקטות דחף של שלבים עליונים ותחתונים. יוצרי מסד הנתונים היו מודעים לכך שקיימים אובייקטים נוספים במסלול, רבים מהם תוצאה של פיצוצים במסלול. חלק מהפיצוצים היו מכוונים, כחלק מניסויי נשק אנטי-לווייני בשנות ה-60. אחרים היו שלבי רקטות שהתפוצצו במסלול, עקב התרחבות של שאריות פרופלנט במכלים. כדי לשפר את המעקב, גאבארד, שמר על בסיס נתונים נפרד. בחקר הפיצוצים, הוא פיתח טכניקה לחיזוי המסלול של תוצרי ההתפרקות, ודיאגרמות גאבארד נמצאות כיום בשימוש נרחב. מחקרים אלה שימשו לשיפור המודלים של התפתחות המסלול ודעיכתו.

בשנות ה-70 ניתנה לציבור גישה למסד הנתונים של NORAD. דונלד ג'יי קסלר, מדען נאס"א, הפעיל טכניקה, שפותחה למחקר חגורת אסטרואידים, על העצמם שתועדו במסד הנתונים. ביוני 1978, קסלר וברטון קור-פאלה פרסמו את המאמר "תדירות ההתנגשות של לוויינים מלאכותיים: היצירה של חגורת פסולת", שהראה כי תהליכים המתרחשים במסלול לווייני נמוך כמו התנגשויות ופירוק של גופים דומים לאלה שמתרחשים בהתפתחות חגורת אסטרואידים, אלא שהם יתרחשו על פני סקאלת זמן של עשרות שנים ולא מיליארדי שנים. הם העריכו כי עד שנת 2000 לערך, הסיכון לפגיעה בחלליות ולוויינים במסלולים מסוימים מפסולת חלל יעלה על הסיכון מפגיעה של מיקרו-מטאורואידים.

הדעה הרווחת בעבר כי כוח הגרר ינקה את הפסולת החללית באופן טבעי התבררה כלא מדויקת, מאחר שקצב ייצור הפסולת עקב התנגשויות גדול מקצב הניקוי ה"טבעי". הצטברות הפסולת החללית מהווה בעיה משמעותית, והקהילה הבינלאומית פועלת למציאת פתרונות. עם זאת, גאבארד היה מודע לכך שמספר וסוג העצמים במרחב מיוצגים בחסר בנתוני NORAD. זמן קצר לאחר פרסום המאמר מ-1978, טבע גאבארד את המונח "אפקט קסלר" בהתייחסו להצטברות פסולת חלל; המונח זכה לתפוצה רחבה לאחר שהוזכר במאמר שפורסם בירחון מדע פופולרי . מאז, נעשה שימוש במונח במגוון הקשרים, הן בתחום המדעי והן בתרבות הפופולרית.

 המשך המחקר 
שמאל|ממוזער| מצלמת בייקר-נון, כזו שהייתה בשימוש נרחב בחקר פסולת חלל.
המחסור בנתונים מקיפים אודות פסולת חלל במסלול לווייני נמוך היווה אתגר משמעותי לחוקרים ולסוכנויות חלל. מצב זה הוביל לסדרה של מחקרים שמטרתם לאפיין בצורה טובה יותר את סביבת המסלול, על מנת לאפיין את הסיכון מפסולת חלל. באוקטובר 1979, נאס"א סיפקה לקסלר מימון למחקרים נוספים, שהתבססו על מספר גישות. מדידות באמצעות טלסקופים אופטיים ומכ"ם באורך גל קצר הוכיחו שההערכות הקודמות של מספר חלקיקי פסולת החלל היו נמוכות בכ-50% לפחות מהמספר האמיתי.

כמו כן התגלה כי מאגר הנתונים של NORAD לא כלל את כל העצמים הגדולים במסלול, ושחלק מהאובייקטים (בדרך כלל, חלליות צבאיות אמריקאיות) הושמטו מהרשימה. אובייקטים אחרים נחשבו קטנים מדי וחסרי חשיבות, ולכן לא נכללו במאגר הנתונים.

מחקרים שבוצעו על חלליות שחזרו לכדור הארץ, כמו תא הפיקוד והשירות של החללית אפולו וסקיילאב, גילו פגיעות מיקרוסקופיות רבות, כולל חריצים וסימני פגיעה. ממצאים אלו העידו על כך ששטף הפסולת בחלל היה גבוה מהצפוי, וכי פסולת זו מהווה ככל הנראה את הגורם העיקרי לפגיעות בחלליות ובלוויינים. בשנת 1978, גילה קסלר כי 42 אחוז מהפסולת המקוטלגת היו תוצאה של 19 אירועים, בעיקר פיצוצים של שלבי רקטות (במיוחד רקטות דלתא של ארצות הברית). הוא גילה זאת על ידי מציאת השיגורים שתוארו כבעלי מספר רב של עצמים הקשורים למטען, ולאחר מכן עריכת חקר ספרות כדי לאתר את הרקטות ששימשו בשיגור. ממצא זה הביא להקמת תוכנית פסולת המסלול של נאס"א, ושינה את הגישה המדעית הרווחת שרוב הפסולת הבלתי ידועה הייתה מניסויי נשק נגד לוויינים, ASAT, ולא מפיצוצי שלבי רקטות.

החל משנת 1986, כאשר התברר שסוכנויות חלל בינלאומיות אחרות סובלות כנראה מאותה בעיה, נאס"א הרחיבה את תוכניתה לכלול סוכנויות חלל בינלאומיות, כשהראשונה הייתה סוכנות החלל האירופית.

בשנות ה-80 חיל האוויר של ארצות הברית (USAF) יזם תוכנית ניסיונית במטרה לחקור את ההשפעה של התנגשות פסולת חלל בלוויין או בפסולת אחרת. המחקר הוכיח כי התנגשויות פסולת חלל שונות באופן משמעותי מהתנגשויות של מיקרו-מטאורואידים.

בשנת 1991 פרסם קסלר מאמר תחת הכותרת "Collisional cascading: The limits of growth in low earth orbit"  שהתבסס על הנתונים המעודכנים ביותר באותה תקופה. בהתבסס על מסקנות חיל האוויר האמריקאי בנוגע ליצירת פסולת חלל, הדגיש קסלר, כי על אף שמרבית עצמי פסולת החלל הם קלים (כגון חלקיקי צבע), עיקר המסה מצוי בפריטים שמסתם קילוגרם אחד ומעלה. פגיעת מסה כזו בחללית עלולה להשמיד אותה, וליצור פסולת נוספת רבה.על פי האקדמיה הלאומית למדעים:
עצם שמסתו 1 ק"ג ומהירותו 10 ק"מ לשנייה, למשל, הפוגע בחללית שמסתה 1,000 ק"ג מסוגל לגרום לפגיעה קטלנית אם הוא פוגע ברכיב בעל צפיפות גבוהה בחללית. בהתפרקות כזו, ייווצרו שברים רבים שמסתם מעל 1 ק"ג.

קסלר חילק את הבעיה לשני תחומים. כאשר צפיפות פסולת החלל נמוכה, קצב הגידול בכמות הפסולת עקב התנגשויות איטי יותר מקצב הירידה בכמות הפסולת עקב דעיכה מסלולית. במצב זה הבעיה אינה משמעותית. מעבר לצפיפות קריטית מסוימת, קצב יצירת הפסולת עקב התנגשויות גבוה מקצב הירידה בכמות פסולת. מצב זה מוביל לתגובת שרשרת המגדילה באופן אקספוננציאלי את מספר חלקיקי פסולת החלל. תהליך זה משנה את התפלגות הגדלים של חלקיקי הפסולת, ומגדילה את מספר העצמים הקטנים (בגודל של כמה סנטימטרים). עצמים אלו קשים למעקב ולניטור, ומגבירים את הסכנה לפעילות חלל. תגובת שרשרת זו ידועה בשם אפקט קסלר.

בסקירה בתחילת 2009 כתב קסלר:פעילות חלל אגרסיבית, ללא אמצעי הגנה ובקרה נאותים, עלולה להגביר משמעותית את הסיכון להתנגשויות בחלל, ובכך לסכן משימות חלל עתידיות. בין הפעילויות המסוכנות ביותר מבחינה סביבתית בחלל ניתן למנות: מערכי לוויינים גדולים כמו אלו שהוצעו לראשונה על ידי יוזמת ההגנה האסטרטגית בשנות ה-80, מבנים גדולים במסלול, כמו אלו שהוצעו בשנות ה-70 לבניית תחנות כוח סולאריות במסלול כדור הארץ, ולוחמה נגד לוויינים. פעילויות כאלה עלולות לגרום לכך שכשל של לווין בודד עלול להוביל בהדרגה, תוך תקופה קצרה, לפגיעה בלוויינים רבים נוספים. 

 ניסויי טילים נגד לוויינים 

ב-13 בספטמבר 1985, ארצות הברית ביצעה ניסוי בהשמדת לוויין בחלל באמצעות טיל נגד לוויינים. במהלך הניסוי, שהיה הראשון מסוגו, שוגר טיל ממטוס קרב F-15 איגל. הטיל פגע בלוויין סולווינד שיצא משימוש, שמסתו 85 ק"ג ונע במסלול בגובה של 555 ק"מ. ראש הקרב של הטיל, פגע בלוויין במהירות של 6.7 ק"מ לשנייה (24,000 קמ"ש) והשמיד את הלוויין. ניתוח מקיף שערכה נאס"א על השפעות הניסוי הצביע על כך שהפיצוץ יצר כמות משמעותית של פסולת חלל, וכי חלק ניכר מפסולת זו צפוי להישאר במסלול סביב כדור הארץ עד לסוף שנות ה-90. הערכה זו העלתה חשש משמעותי בקרב מדעני ומהנדסי נאס"א, שכן באותה תקופה תוכננה בנייתה של תחנת החלל הבינלאומית. לנוכח הסיכון המוגבר לפגיעה מפסולת חלל, נאלצה נאס"א להשקיע משאבים נוספים בפיתוח ושיפור מיגון הפסולת עבור תחנת החלל המתוכננת.

ב-11 בינואר 2007, ערכה סין ניסוי של טילים נגד לוויינים, שבו לווין חיזוי מזג האוויר הסיני מסוג Fengyun נבחר כמטרה. ההתנגשות התרחשה בגובה של 865 ק"מ. הלוויין, שמסתו 750 ק"ג, נפגע בהתנגשות חזיתית עם מטען קינטי שנע במהירות של 8 ק"מ לשנייה שנע בכיוון ההפוך. הפסולת שהתקבלה מקיפה את כדור הארץ בגובה ממוצע של מעל 850 ק"מ, וכנראה תישאר במסלול במשך עשרות ואף מאות שנים. ביוני 2007 נאלצה נאס"א להסיט ממסלולו אחד מלווייניה כדי שלא יכנס לשדה הפסולת שיצר הניסוי הסיני.

השמדת הלווין קוסמוס 1408 על ידי טיל נגד לוויינים רוסי ב-15 בנובמבר 2021, יצרה ענן פסולת משמעותי, שכלל מעל 1,500 חלקי פסולת שניתנים למעקב. בנוסף, על פי הערכות, נוצרו מאות אלפי חלקי פסולת נוספים, קטנים מכדי שניתן יהיה לעקוב אחריהם באמצעות טכנולוגיות קיימות. מכיוון שהלוויין היה במסלול קוטבי, וחלקי הפסולת שנוצרו התפשטו בגבהים שבין 300 ל-1000 ק"מ, הם עלולים לפגוע בכל לוויין במסלול נמוך, כולל תחנת החלל הבין-לאומית ותחנת החלל הסינית (טיאנגונג).

 התנגשות לוויינים 
התנגשות הלוויינים אירידיום 33 וקוסמוס 2251 היא אירוע שהתרחש ב-10 בפברואר 2009, ובו התנגשו שני לוויינים פעילים במסלול סביב כדור הארץ. זהו האירוע הראשון המתועד שבו התנגשו שני לוויינים במסלול. ההתנגשות אירעה בגובה של כ-789 ק"מ מעל סיביר, במהירות יחסית של כ-11.7 ק"מ לשנייה. היא יצרה כמות משמעותית של פסולת חלל, המוערכת בכ-2,000 שברים גדולים מ-10 ס"מ ואינספור שברים קטנים יותר.

 פיצוץ רקטה סינית 
אירוע משמעותי הקשור לתסמונת קסלר התרחש ב-9 באוגוסט 2024, כאשר הרקטה הסינית Long March 6A התפרקה במסלול נמוך. האירוע יצר לפחות 781 שברי פסולת. הפסולת מהווה סיכון משמעותי למערכי לוויינים במסלול נמוך, במיוחד אלה שגובהם מתחת ל-800 ק"מ, ועלולה להישאר במסלול במשך שנים רבות.

 מניעה וצמצום של פסולת חלל 
על מנת לצמצם את כמות פסולת החלל, גופים רגולטוריים בינלאומיים ומדינתיים קובעים תקנות מחמירות בנוגע לסילוק לוויינים ומשגרים בסוף חייהם. איגוד הטלקומוניקציה הבין-לאומי דורש מיצרני לוויינים ומשגרים להוכיח כי ניתן להיפטר מהם בבטחה בתום פעילותם. שיטות סילוק מקובלות כוללות כניסה מבוקרת לאטמוספירה או העברה למסלול "בית קברות" ייעודי.

ועדת התקשורת הפדרלית (FCC) של ארצות הברית מחייבת כל לוויין גיאוסטציונרי ששוגר לאחר 18 במרץ 2002 לעבור למסלול "בית קברות" בסוף חייו. ממשלת ארצות הברית מחייבת, באופן דומה, תוכנית לסילוק כל לוויין בתום משימתו באמצעות כניסה מבוקרת לאטמוספירה, העברה למסלול אחסון או שליפה פיזית. אמצעי יעיל באנרגיה שהוצע להורדת לוויין במסלול לווייני בינוני הוא להעביר אותו למסלול בתהודה לא יציבה עם השמש או הירח, כך שדעיכת המסלול תהיה מהירה יותר.

טכנולוגיה שעשויה לסייע בהפחתת שברים בגדלים שבין 1 ל-10 ס"מ הוא מטאטא לייזר, לייזר רב עוצמה שמסוגל להסיט חלקיקי פסולת חלל ממסלולם של לוויינים ותחנות חלל. חימום צד אחד של חלקיק פסולת גורם לשינוי קל במסלולו, ומאיץ את כניסתו לאטמוספירה, שם הוא נשרף.

 חששות 
Envisat  הוא לוויין חישה מרחוק של סוכנות החלל האירופית שהושבת ב-2012. מסתו 8,211 ק"ג, מה שהופך אותו ללוויין האזרחי הגדול ביותר ששוגר. Envisat מקיף את כדור הארץ בגובה של 785 ק"מ, אזור בו צפיפות פסולת החלל גבוהה במיוחד. על פי הערכות, צפויים שני עצמים מקוטלגים לפחות לחלוף מדי שנה בטווח של 200 מטרים או פחות מהלוויין, ומספר זה צפוי לגדול. ב-2012 העריך קסלר שלוויין זה עלול להפוך למקור משמעותי של פסולת חלל בשל התנגשויות במהלך 150 השנים הבאות, בהן הוא צפוי להישאר במסלול. הסיכון להתנגשויות גובר בשל גודלו הרב של הלוויין, וכן בשל העובדה כי אינו פעיל, ולכן לא ניתן לתמרן אותו על מנת להימנע מהתנגשויות.

תוכנית SpaceX של סטארלינק מעוררת חשש להחמרה משמעותית באפשרות של אפקט קסלר בשל המספר הרב של לוויינים שהתוכנית מציבה במסלול נמוך. בתגובה לחששות אלה, מסרה SpaceX כי חלק גדול מלווייני סטארלינק משוגרים לגובה נמוך יותר מכפי שתוכנן במקור, 550 ק"מ במקום 1150 ק"מ, כך שלוויינים שכשלו צפויים לדעוך ולהישרף באטמוספירה בתוך חמש שנים עקב גרר אטמוספירי.

 באמנות
 הסרט כוח משיכה משנת 2013 מציג שרשרת אירועים, שמתחילה בהפלת לוויין ריגול על ידי הרוסים. הפיצוץ יוצר, על ידי אפקט קסלר 'על סטרואידים', ענן פסולת מתרחב במהירות. התקשורת עם בקרת המשימה משתבשת זמן קצר לאחר מכן, כאשר לווייני תקשורת נוספים מושבתים על ידי פסולת החלל.
 הרומן Seveneves  של ניל סטפנסון משנת 2015 מתחיל בפיצוץ הבלתי מוסבר של הירח לשבעה חלקים גדולים, שיוצרים, ענן פסולת על ידי תגובת שרשרת של התנגשויות הדדיות. בסופו של דבר מופצצים פני כדור הארץ על ידי המטאורואידים שמקורם בפיצוץ הירח.

 הערות שוליים 

קטגוריה:האדם בחלל
קטגוריה:לוויינים
קטגוריה:לוחמת חלל
קטגוריה:זיהום