thumb|Dystrybucja kosmicznych śmieci widziana spoza orbity geostacjonarnej (GEO). Widoczne są dwa główne zbiorowiska: pierścień obiektów na orbicie GEO i chmura obiektów na niskiej orbicie okołoziemskiej (LEO).
Kosmiczne śmieci lub kosmiczne odpadki () – obiekty wytworzone przez człowieka pozostające na orbicie okołoziemskiej, które nie wykonują już zaplanowanych dla nich zadań. Składają się na nie głównie zużyte człony rakiet wielostopniowych, nieczynne satelity, fragmenty powstałe w wyniku kolizji lub eksplozji satelitów lub rakietOswald, M., S. Stabroth, C. Wiedemann, P. Wegener and C. Martin: "Upgrade of the MASTER Model", Final Report of ESA Contract No. 18014/03/D/HK(SC), Braunschweig, 2006.. Zazwyczaj kosmiczne śmieci nie są kontrolowane przez człowieka, dlatego mogą stwarzać zagrożenie dla aktywnie działających satelitów.
Znaczna część tych obiektów ma niewielkie rozmiary, poniżej centymetra. Najmniejsze obiekty tego typu to np. fragmenty farby, którą pokrywane były rakiety i pozostałości spalanego stałego paliwa rakietowego. W celu uniknięcia uszkodzenia działających satelitów można stosować technologie wynalezione do ochrony statków przed meteoroidami, tj. dodanie cienkiej warstwy metalu na zewnętrznej powłoce statku. Do zderzeń z warstwą metalu dochodzi przy tak dużych prędkościach, że pył wyparowuje, a powstająca w efekcie plazma rozprzestrzenia się na tyle szybko, że nie uszkadza statku. Jednak nie każdą część obiektu da się ochronić w ten sposób, np. panele słoneczne i urządzenia optyczne (takie jak teleskop, czy astronawigator) są narażone na uszkodzenia z tej strony. Osłony używane przy załogowych modułach Międzynarodowej Stacji Kosmicznej są w stanie chronić przed odpadkami wielkości mniejszej niż 1 cm.
Skuteczną metodą ochrony przed zderzeniami z większymi obiektami są manewry zmiany orbity całej stacji w celu uniknięcia zagrożenia. Ta metoda z kolei wymaga poznania dokładnej orbity obiektu. Używany obecnie sprzęt jest w stanie rozpoznawać obiekty o średnicy większej niż 5 cm na niskiej orbicie okołoziemskiej oraz średnicy około 50 cm na orbicie geostacjonarnej. Z szacowanych 500 tys. obiektów o średnicy powyżej 1 cm tylko 18 tys. może być śledzonych z ZiemiA New Way to Track Debris in Orbit – Defense News. Łączną liczbę obiektów szacuje się na milionyNASA Orbital Debris FAQs.
Ochrona przed mikrometeoroidami W 1946 astronom Fred Whipple zaproponował rozwiązanie chroniące przyszłe statki kosmiczne przed mikrometeoroidami"Professor Fred Whipple: Astronomer who developed the idea that comets are 'dirty snowballs'." The Independent, 13 November 2004. Na początku znane jako „zderzak meteorytowy”, dzisiaj rozpoznawana pod nazwą Tarcza Whippla, składała się z cienkiej warstwy metalu rozpostartej w małej odległości od kadłuba statku. Kiedy mikrometeoryt uderza w folię, wyparowuje, a powstająca w wyniku plazma szybko się rozprzestrzenia. Na początku wyścigu kosmicznego, w latach 60. XX wieku zagrożeniem dla działających statków kosmicznych wydawały się jedynie mikrometeoroidy. Prowadzone wtedy badania nad ochroną statków kosmicznych można było w późniejszych latach wykorzystać do ochrony przed kosmicznymi śmieciamiWhipple, Fred. "Of Comets and Meteors." Science, Volume 289, Number 5480, 4 August 2000, p. 728..
thumb|Diagram Gabbarda prawie 300 elementów pochodzących z dezintegracji trzeciego członu chińskiej rakiety Long March 4 po okresie 5 miesięcy – 11 marca 2000.
NORAD, Gabbard i Kessler NORAD utrzymuje bazę danych wszystkich znanych startów rakiet i obiektów, nie tylko samych satelitów, ale ich osłon aerodynamicznych, zużytych górnych członów rakiet itp., która znana jest dziś pod nazwą Katalogu Obiektów Kosmicznych i prowadzona jest od czasów wystrzelenia satelity Sputnik 1 w 1957 roku. NASA później zaczęła wydawać tę bazę danych w powszechnym dziś dwuliniowym zestawie danychHoots, Felix, Paul Schumacher Jr. and Robert Glover. "History of Analytical Orbit Modeling in the U. S. Space Surveillance System." Journal of Guidance Control and Dynamics, Volume 27, Issue 2, s. 174–185..
Sensory, które pracowały dla bazy, zdawały się zbierać dane o wielu innych obiektach, z których wiele pochodziło z eksplozji na orbicieSchefter 1982, s. 48.. Niektóre z nich spowodowano umyślnie, jako część testów technologii przeciwko satelitom w 1960, podczas gdy inne były efektem eksplozji górnych członów rakiet pozostawionych na orbicie, kiedy to resztki paliwa w zbiornikach, parując, rozszerzały się i w efekcie napierały na ścianki. Obiekty te jednak były monitorowane przypadkowo, pracownik NORAD-u, John Gabbard, przedsięwziął stworzenie osobnego katalogu, w którym zostaną sklasyfikowane obiekty tego typu. Badając wyniki tych eksplozji, Gabbard wytworzył nową technikę przewidywania orbit ich pozostałości. Diagramy Gabbarda są dzisiaj często stosowane, do ulepszania modelowania orbitalnej degradacji.
thumb|left|Kamery Baker-Nunn były używane do studiowania problemu śmieci. Kiedy baza danych NORAD-u została po raz pierwszy upubliczniona w 1970, Kessler zaaplikował metodę użytą do badania pasa asteroid do przebadania katalogu. W 1978 Kessler i Burton Cour-Palais napisali wspólnie pracę Częstość kolizji sztucznych satelitów: o utworzeniu się pierścienia, w której wykazywali, że taki sam proces jak powodujący ewolucję rodziny planetoid, wywołuje zjawisko fragmentacji obiektów krążących na niskiej orbicie okołoziemskiej, ale zachodzące w o wiele krótszej skali czasu, bo zaledwie dekad. Pod koniec publikacji stwierdzono, że w okolicach 2000 roku materiał pochodzący z tego typu zderzeń będzie stanowił zagrożenie większe od materiału występującego tam naturalnieKessler 2009.
W tamtym czasie wydawało się jednak, że nie ma znacznego zagrożenia, ponieważ kosmiczne śmieci górne powinny wyhamowywać i spalać się w górnych warstwach atmosfery w szybszym tempie, niż aktualnie powstają kolejne. Aczkolwiek Gabbard zdawał sobie sprawę, że katalog NORAD-u jest niekompletny. Wkrótce po publikacji Kesslera, w trakcie wywiadu na te tematy, Gabbard użył terminu Syndrom Kesslera na określenie sytuacji, w której materiał na orbicie zaczyna być znaczącym problemem. Dziennikarz przytoczył go słowo w słowo i kiedy artykuł podchwycono w artykule w Popular Science w 1982Schefter 1982, termin wszedł do powszechnego użycia. Artykuł został wyróżniony nagrodą prasową.
Dalsze badania Brak dokładnych danych dla wyższych orbit zmusił naukowców do skupienia się nad zbadaniem niskiej orbity okołoziemskiej. W październiku 1979 NASA zapewniła Kesslerowi dalsze środki na badania. W trakcie badań przeanalizowano kilka podejść do problemu. Korzystano z teleskopów optycznych oraz radarów krótkofalowych. Same pomiary optyczne pokazywały, że szacunki są o połowę zaniżoneKessler 1991, s. 65.. Wcześniej zakładano, że katalog NORAD-u jest w miarę kompletny, a już na pewno zawiera wszystkie większe obiekty. Te obserwacje pokazały, że katalog NORAD-u niektóre obiekty omijał świadomie (zazwyczaj instalacje wojskowe), niełatwo wyłapywał obiekty o średnicy poniżej 10 cm, a wielu innych po prostu nie uważał za istotne.
Inne badania z kolei używały mikroskopów do badania powierzchni statków w poszukiwaniu do tej pory niezauważonych zniszczeń. Sekcje Skylabu i modułu serwisowego Apollo używane w latach 60. i 70. były mocno doświadczone przez śmieci. Ku zdziwieniu wszystkich, nasilenie bombardowania było silniejsze, niż się wszystkim zdawało i już wtedy było głównym źródłem kolizji w kosmosie. Badania wzbogacono o wyniki z analizy Solar Max-u, LDEF-u, wielu lotów wahadłowców kosmicznych i podobnych badań, które trwają do dziś.
thumb|left|Znane ścieżki orbitalne Fengyun-1C w miesiąc po zestrzeleniu przez chińską broń ASAT.
Badania wykazały, że 42% kosmicznych odpadów to pozostałości 19 wydarzeń, wybuchów rakiet, w szczególności amerykańskiej rakiety DeltyKessler 1981. Kessler posłużył się tu technikami Gabbarda i zaprzeczył panującemu przekonaniu, że śmieci były pozostałościami po jakiejś nieznanej eksplozji ASATKlinkrad, s. 2.. Delta była wynikiem działania amerykańskiego programu kosmicznego i jeszcze kilka jej pozostałych elementów oczekiwało swojego losu.
Nowy Syndrom Kesslera W tym samym czasie siły powietrzne USA przeprowadziły eksperyment, aby ustalić, co będzie wynikiem zderzenia kosmicznego śmiecia z satelitą albo z innym kosmicznym śmieciem. Eksperyment wykazał, że nie jest ono podobne do zderzenia z mikrometeorytem i że wiele śmieci może stanowić zagrożenie. Prowadzić też może do fatalnej ewentualności; gęstość śmieci zamiast ilością przedmiotów wystrzelonych na orbitę jest tą liczbą plus ilością śmiecia powstałego w wyniku kolizji śmieci pomiędzy sobą. Jeśli nowy śmieć nie spalił się w atmosferze, zanim uderzył w następny śmieć, liczba śmieci będzie stale wzrastać, nawet po wstrzymaniu lotów.
W 1991 Kessler opublikował nową pracę, opierając się na wszystkich zebranych danych. W Kaskadowe kolizje: limit przyrostu populacji na niskiej orbicie okołoziemskiej przypominał o wynikach doświadczeń amerykańskich sił powietrznych. Chociaż znaczna większość śmiecia była stosunkowo mała, jak listki farby, większość "masy" przypadała na mniejszą liczbę cięższych obiektów, kilogramowych lub cięższych. Tyle wystarczy już do poważnego uszkodzenia statkuKessler 1991.. W jednej z prac Narodowej Akademii Nauk czytamy:
Kilogramowy obiekt uderzający z prędkością 10 km/s, dla przykładu ma prawdopodobnie możliwość rozbicia tonowego statku, jeśli uderzy w element konstrukcyjny. W wyniku takiego zderzenia powstanie wiele kilogramowych odpadków"Orbital Debris: A Technical Assessment" 1995, p. 4.
Wnioski Kesslera dzielą problem na 3 kategorie. Przy odpowiednio niskiej gęstością kosmicznych śmieci dochodzi mniej nowych zanieczyszczeń niż te, które spadają do atmosfery, i można stwierdzić, że problemu nie ma. Powyżej pewnej krytycznej gęstości każdy kolejny śmieć przyspiesza powiększanie się układu. Po przekroczeniu pewnej, dużej już gęstości, produkcja odłamków jest szybsza niż tempo ich spalania w atmosferze, prowadząc do reakcji łańcuchowej, która poszatkuje wszystkie śmieci w drobny pył i większe odłamki, czyniąc każdy lot w kosmos niebezpiecznym. Jest to nowe znaczenie Syndromu Kesslera.
W historycznym podsumowaniu w 2009 sam Kessler napisał:
Agresywne wykorzystanie przestrzeni kosmicznej bez odpowiednich zabezpieczeń może znacznie skrócić czas, w jakim dochodzi do kolizji śmieci. Jednymi z najniebezpieczniejszych dla środowiska działalności w kosmosie należą wielkie instalacje gwiezdnych wojen w latach 80., wielkie stacje paneli słonecznych, projektowane w latach 70. oraz systemy antysatelitarne wykorzystane w ciągu ostatnich 30 lat przez USA, ZSRR i Chiny. Mogą one doprowadzić do sytuacji, w której jeden satelita wywoła lawinową reakcję.
Wzrost liczby śmieci Opierając się na przeprowadzonych badaniach, na początku lat 80. NASA i inne amerykańskie organizacje postanowiły ograniczyć ilość śmieci. Jedno szczególnie efektywne rozwiązanie należało do firmy McDonnell Douglas w dopalaczu rakiety Delta, który pozbywał się nadmiaru paliwa po skończonej pracy, co zapobiegało rozerwaniu zbiornikaSchefter 1982, p. 50.. Inne kraje nie były skore do zainteresowania się problemem, a w latach 80. ZSRR wystrzelił wiele rakietPatrz wykresy, Hoffman, s. 7.