Investigation of potential definitions of the space environment capacity to pursue sustainability of outer space activities over the long term

The ability of space activities to benefit Earth and its people is now threatened by the increasing density of artificial objects in orbit. If no mitigation measures are taken, the population could reach a level in the future at which collisions would continue to increase the number of debris in orbit, even without new launches. Addressing the need for space sustainability means prevent negative trends from becoming norms and ensure that outer space can be used for many years to come. Space may seem vast, but the orbits around Earth in which satellites reside are a limited natural resource. Like the Earth's non-renewable resources, these unique orbital regions exist in nature in a limited way because their regeneration requires several years. The topic of sustainability is not new, and many studies have been conducted on the Earth's resources over the years. We take cue from them to analyse and address a possible application in the space field. Particularly, the concept of capacity of an ecosystem is investigated and related to the space environment. The general principles from which the available definitions of space environment capacity were derived have been analysed and compared with the purpose of identify their pro and cons. To accomplish the task, a debris evolutionary model, based on MISSD developed by Somma et al. (2017) at the University of Southampton, is built. It is a source-sink model based on a set of first order differential equations, which describe the injection and removal rates of objects in several altitude bands. Explosions and collisions generate fragments via standard NASA breakup model, while the natural decay due to drag and the post mission disposal are the removing mechanisms considered through a look-up table approach. The model is used to study the trends of the space environment and different definitions of capacity are investigated to find a sustainable future scenario. This thesis was part of the COMPASS project: “Control for orbit manoeuvring by surfing through orbit perturbations” (Grant agreement No 679086). This project is European Research Council (ERC) funded project under the European Union’s Horizon 2020 research.

La capacità delle attività spaziali di beneficiare la Terra e la gente è minacciata dalla crescente densità di oggetti artificiali in orbita. Senza misure di mitigazione, questa popolazione potrebbe raggiungere un livello in cui le collisioni aumenterebbero i detriti in orbita. Affrontare la necessità della sostenibilità spaziale significa impedire che le tendenze negative diventino norme e garantire che lo spazio possa essere utilizzato per molti anni a venire. Lo spazio sembra vasto ma le orbite intorno alla Terra in cui risiedono i satelliti sono una risorsa naturale limitata. Come le risorse non rinnovabili terrestri, queste regioni orbitali uniche sono limitate poiché la loro rigenerazione richiede diversi anni. Il tema della sostenibilità non è nuovo e molti studi sono stati condotti sulle risorse terrestri nel corso degli anni. Prendiamo spunto da essi per analizzare una possibile applicazione in campo spaziale. In particolare, il concetto di capacità di un ecosistema viene studiato e messo in relazione con lo spazio. I principi generali da cui sono derivate le definizioni di capacità dell'ambiente spaziale sono stati confrontati allo scopo di identificare i loro pro e contro. Per fare ciò, costruiamo un modello evolutivo dei detriti, basato su MISSD sviluppato da Somma et al. (2017) all'Università di Southampton. Si tratta di un modello source-sink basato su equazioni differenziali del primo ordine, che descrivono i tassi di iniezione e rimozione degli oggetti in diverse fasce di altitudine. Esplosioni e collisioni generano frammenti tramite il modello standard di breakup della NASA, mentre il decadimento dovuto alla resistenza atmosferica e lo smaltimento post missione sono i meccanismi di rimozione considerati con un approccio look-up table. Il modello è usato per studiare le tendenze dell'ambiente spaziale e diverse definizioni di capacità per trovare uno scenario futuro sostenibile. Questa tesi fa parte del progetto COMPASS: "Control for orbit manoeuvring by surfing through orbit perturbations" (Grant agreement No 679086). Questo progetto è finanziato dall'European Research Council (ERC) nell'ambito della ricerca dell'Unione Europea Horizon 2020.