De impact van ruimte-afval
Waar mensen zich ook maar vertonen, ze laten er afval achter. De aarde is omgeven door een wolk van defecte satellieten en raketonderdelen. De enorme toename aan ruimteafval brengt tegenwoordig verschillende ruimtevaartprojecten in gevaar.
De bioscoopfilm Gravity schilderde in 2013 de ruwe werkelijkheid van wat ruimteafval kan aanrichten. In die film boorde het vliegend puin van een satelliet zich in een spaceshuttle. In een kettingreactie volgden er meer botsingen, die voor de twee astronauten, gespeeld door Sandra Bullock en George Clooney, resulteerden in een reeks nogal onaangename gebeurtenissen.
Drama hoort er in de bioscoop nu eenmaal bij, maar ruimteafval raakt eigenlijk iedereen: zelden letterlijk, maar iedereen hangt ook bij alledaagse dingen aan de levenslijn van gegevens die afkomstig zijn van satellieten die rond de aarde tollen. Zonder die satellieten zou er geen navigatie zijn via GPS en Galileo, zonder satelliet-tv bleef de televisie in veel huizen zwart, en weersvoorspellingen zouden veel minder nauwkeurig zijn.
Botsingen van door mensenhanden gemaakte objecten zijn geen sciencefiction. Begin september nog kon een botsing tussen de ESA-weersatelliet Aeolus en een SpaceX-trainingssatelliet alleen worden voorkomen door dure brandstof te gebruiken. Dr. Holger Krag, hoofd van het ruimteveiligheidsprogramma van ESA en verantwoordelijk voor ruimteafval: “Gemiddeld is er elke week wel een uitwijkmanoeuvre. En dat zullen er nog veel meer worden.” Ook voor het ISS-ruimtelaboratorium is uitwijken meer regel dan uitzondering. Dat wordt brandstofneutraal afgehandeld in combinatie met de incidenteel nodige baanaanpassingen.
BEDREIGING VOOR HET ACHTERLAND
De acht ton zware Envisat-milieusatelliet moest zeven uitwijkmanoeuvres uitvoeren voordat hij zelf in 2012 onbeheersbaar en dus een vliegende hoop puin werd. Het duurt 150 jaar voordat de satelliet crasht door een steeds diepere duik in de atmosfeer. Dat raketonderdelen of satellieten na hun levensduur op het aardoppervlak storten is dan nog het beste wat kan gebeuren. Als dat gepland en gecontroleerd gebeurt, heeft de verbranding of het neerstorten in de zee of in onbewoond gebied nauwelijks gevolgen op lange termijn. Onderdelen en de behuizing verbranden, alleen hittebestendige materialen zoals glas en titanium
overleven het, maar daaronder vallen slechts een paar zware objecten. Bij een landingssnelheid van ongeveer 300 kilometer per uur veroorzaken de resten geen kraters zoals je die verwacht bij de inslag van meteorieten. De gevolgen van botsingen in een baan om de aarde zijn echter nog tientallen jaren, soms zelfs eeuwen merkbaar.
In februari 2009 knalden twee satellieten in een baan om de aarde op elkaar, al was daar niets van te horen vanwege het ontbreken van de atmosfeer. De twee communicatiesatellieten Kosmos 2251 (China) en Iridium 33 (VS) botsten op een hoogte van 789 kilometer boven Noord-Siberië op elkaar. De puinwolken volgden voornamelijk de oude banen, maar na meer dan tien jaar draaien de meer dan 100.000 fragmenten in verschillende banen om de aarde.
Bij een auto-ongeluk op aarde kun je de wrakken bergen, maar bij satellietbotsingen vergroten de resterende fragmenten gedurende meerdere decennia het risico op verdere botsingen met satellieten. Zelfs deeltjes die niet groter zijn dan een paar millimeter kunnen merkbare schade veroorzaken, bijvoorbeeld door zonnepanelen te beschadigen. Veel satellieten hebben wel beschermende schilden, maar de meeste daarvan kunnen grotere deeltjes niet aan. Zelfs een object met een massa van 1 gram heeft de inslagkracht van een granaat vanwege de hoge baansnelheden.
De website www.stuffin.space maakt de vervuiling die veroorzaakt is door de Iridium-botsing zichtbaar, en ook veel andere fragmenten van door mensen gemaakte ruimteobjecten waar de ruimtevaartautoriteiten van diverse landen weet van hebben. Veel objecten van het gevaarlijke kaliber van 1 tot 10 centimeter worden niet eens mee berekend. Naar schatting zijn dat er ongeveer 900.000. 128 Miljoen deeltjes zijn tussen de 1 millimeter en 1 centimeter groot.
Volgens het Space Environment Report van de Europese ruimtevaartorganisatie ESA draait er in totaal ongeveer 8.500 ton materiaal rond de aarde, veel daarvan op een hoogte van 200 tot 40.000 kilometer. Werkende satellieten maken maar ongeveer 8% uit van deze massa. Het komt er ruwweg op neer dat je een auto zonder bestuurder en zonder sensoren op afstand bestuurt en deze veilig door een parcours met kapotte auto’s, motoren en rondrollende stukken band moet sturen. Het puin in de ruimte is een groot probleem. Volgens een ESA-enquête in Europa in december 2018 vindt 78 procent van de respondenten dat ook. Voor inslaande meteorieten zijn mensen minder bang.
EEN RING VAN ROMMEL …
Sinds 1957 zijn er 5450 raketten met succes gelanceerd. Daarbij zijn ongeveer 8950 satellieten in een baan gebracht, waarvan er zich nog ongeveer 5000 in een baan om de aarde bevinden. De meeste daarvan, zo’n 3950, werken al lang niet meer. Op de geostationaire banen op een hoogte van 35.786 kilometer is de grootste drukte: dat is de ideale afstand voor weer- en telecommunicatiesatellieten. Alsof het een kralenketting is, liggen de satellieten daar gemiddeld slechts 190 kilometer uit elkaar. Ze zouden eigenlijk aan het einde van hun levensduur naar een zogenaamde kerkhofbaan moeten worden gemanoeuvreerd, zo’n 300 kilometer hoger, maar wanneer de afgedankte objecten daar uit elkaar vallen of exploderen, kruisen hun dalende onderdelen de belangrijke geostationaire baan weer.
Al bij het in een baan brengen van satellieten ontstaat veel puin, afkomstig van raketonderdelen zoals rakettrappen en rompen, die niet allemaal na korte tijd via veilige corridors op aarde neerstorten. Sinds 1961 zijn meer dan 290 keer tamelijk grote objecten in een baan om de aarde uit elkaar gevallen. De meesten daarvan waren de laatste trappen van raketten of satellieten, die explodeerden. Dat gebeurt niet zomaar. Meestal leidt de grote mechanische belasting als gevolg van de zware omstandigheden in de ruimte tot materiaalmoeheid. Als daarbij brandstof ontsnapt of in contact komt met andere stoffen, bijvoorbeeld uit accu’s, kan dat tot spontane ontbranding leiden.
Na verloop van tijd knagen de microdeeltjes die ontstaan door ultraviolette straling, evenals atomaire zuurstof, aan het oppervlak van ruimteobjecten en scheuren daar verf en flarden van de bekleding af.
Naast ongelukken bij de lancering of slijtage tijdens het bedrijf is een aantal fragmenten het gevolg van pogingen om satellieten te onderscheppen met
raketten die vanaf de grond zijn afgevuurd. Alleen al de spectaculaire vernietiging van de afgedankte Chinese weersatelliet FengYun-1C in China in januari 2007 verhoogde het aantal ruimteobjecten met zo'n 25 procent.
De belangrijkste bron van zwerfvuil in een omloopbaan zijn de resten van de nu 2440 afgevuurde vastebrandstofraketten, vooral de aluminiumoxidedeeltjes van kleiner dan een millimeter tot een paar centimeter groot. De reactorkernen van Russische radarsatellieten die in de jaren tachtig zijn gelanceerd, vormen nog steeds een probleem. Daarbij kwamen grote hoeveelheden reactorkoelvloeistof, een mengsel van natrium en kalium, vrij in de ruimte.
Ook slecht doordachte ideeën hebben nog steeds gevolgen. Bij het West Ford-project brachten de VS in de jaren zestig in totaal 480 miljoen koperen strips in een omloopbaan, die als dipoolantennes wereldwijd de radiocommunicatie zouden moeten ondersteunen. Afgezien van het feit dat dit mislukte, klonken er toen al kritische geluiden van mensen die zich vooral zorgen maakten over de overlast voor ruimtevaart en astronomie. In 2005 vormden clusters van dipoolnaalden nog een van de grootste afvalbronnen in middelhoge omloopbanen en ook nu zijn ze nog steeds in overvloed aanwezig.
... OM ALLES TE BINDEN
Als je verder rekent met de momenteel ongeveer 100 raketlanceringen en vier tot vijf botsingen per jaar, neemt de kans op catastrofale botsingen sterk toe: een verdubbeling van het aantal objecten resulteert in een vier keer zo grote kans.
Over enkele decennia zullen dergelijke botsingen vaker voorkomen dan de hierboven beschreven explosies van afgedankte satellietonderdelen, ook bekend als het Kesslersyndroom. De astronoom Donald J. Kessler waarschuwde in 1978 dat botsingsfragmenten als gevolg van botsingen met elkaar zich exponentieel zouden vermenigvuldigen en dat dit de ruimtevaart al snel bijzonder zou bemoeilijken. Dat is nu al merkbaar: satellieten moeten steeds meer ontwijkende manoeuvres maken. Dit scenario bedreigt momenteel met name de starts voor de steeds belangrijkere lage banen (LEO-regio).
THE CRACKS OF DOOM
Na de lancering van de Sputnik in 1957 werd pas in 1967 in een ruimteverdrag bepaald dat staten aansprakelijk zijn voor de schade die veroorzaakt wordt door hun ruimteobjecten. In 1972 werd dit verdrag uitgebreid tot de Space Liability Convention. Dat verdrag regelt een aantal verantwoordelijkheden en procedures, maar heeft geen betrekking op particuliere en commerciële ruimtevaartprojecten. Slechts één ongeval is behandeld volgens de regels van deze overeenkomst, namelijk de crash van de Sovjet-satelliet Kosmos 954 boven Canada in 1978.
Het valt te voorzien dat het daar niet bij blijft. Het hoofd van het ruimteveiligheidsprogramma van ESA, Dr. Holger Krag, zegt daarom: “We hebben dringend behoefte aan een regeling van de ruimtevaart, met duidelijke communicatieprotocollen en meer geautomatiseerde processen.” Hij ziet parallellen met de luchtvaart en hoopt op een nog betere samenwerking bij het coördineren van ruimteactiviteiten. Vroeger was dat eenvoudig. Er waren minder lanceringen, door minder ruimtevaartstaten. Met name de grotere mogelijkheden om kleine satellieten goedkoop in lage banen om de aarde te lanceren hebben veel nieuwe spelers in de ruimte opgeleverd.
Over het algemeen spelen commerciële projecten een steeds grotere rol, zoals OneWeb of Starlink van SpaceX. Het bedrijf van Elon Musk is van plan om tegen 2027 in totaal 11.929 satellieten te lanceren voor een wereldwijd netwerk. Na voltooiing zal het 30.000 objecten in banen tussen de 328 en 1325 kilometer omvatten. Hoe belangrijk die maatregelen zijn, waar niet alleen de ESA om vraagt, blijkt uit de eerder genoemde bijna-botsing van een dergelijke SpaceX-satelliet met Aeolus. Daarbij zag SpaceX eerdere waarschuwingsmails over het hoofd.
Megaconstellaties zoals die van SpaceX, OneWeb, Google en Samsung kunnen bij botsingen tussen defecte satellieten en hun onderdelen er snel toe leiden
dat grote gebieden in de soms korte startvensters onpasseerbaar worden. Ruimtedeskundigen verwachten enkele honderdduizenden botsingswaarschuwingen per week als zulke enorme netwerken in een baan om de aarde tot stand komen. Tegen die tijd is het niet meer voldoende dat ingenieurs in controlestations op aarde voor duizenden satellieten handmatig koerscorrecties moeten verwerken voor puin op ramkoers.
Een geautomatiseerd waarschuwingssysteem, dat ook gecoördineerde uitwijkmanoeuvres omvat, was dan ook een belangrijk onderwerp op de driejaarlijkse ESA-ministerraadsvergadering die eind november in Sevilla werd gehouden. Om te voorkomen dat afval niet lang nutteloos rondhangt in waardevolle banen zijn er ook al andere ideeën uitgedacht, waarvan sommige al geïmplementeerd zijn.
DE TERUGKEER
Kortom, objecten mogen alleen in een baan blijven zolang ze daar iets nuttigs doen. Daarna moeten ze zo snel mogelijk naar de aarde gestuurd worden, waar ze gecontroleerd uit elkaar vallen. Alle ruimteobjecten moeten over betrouwbare voorzieningen beschikken die ze, na afloop van hun diensttijd, zonder lange wachttijden naar de aarde laten afdalen. Dat moet worden geregeld met speciale motoren of remzeilen, wat al een vereiste is voor nieuwe satellieten. Bij alle moderne raketten worden de trappen zo afgeremd dat ze na het uitbranden niet in een baan blijven, maar terugvallen naar de aarde.
Omdat explosies in een baan het risico voor andere satellieten groter maken door cascade-effecten, besteden ontwikkelaars al een tijdje aandacht aan de accu’s, brandstoffen en het circuitontwerp van ruimtevaartuigen. Het doel is om vonken en oververhitting te voorkomen. Batterijen moeten bij het uitschakelen van de satelliet worden ontladen en de brandstof moet gecontroleerd weg kunnen lopen.
Om te voorkomen dat de toename van het aantal uitwijkmanoeuvres de levensduur van satellieten te veel bekort, zijn ruimteagentschappen van plan om ze in de ruimte bij te tanken. De levensduur te veel verlengen is echter ook niet verstandig, omdat materiaalmoeheid het risico op oncontroleerbare storingen verhoogt. Daarom moet hun tijd in de ruimte vanaf het begin beperkt worden. Voor satellieten in de lage LEO-banen tot 25 jaar. Dat klinkt misschien als ‘meer afval’, maar is bedoeld om satellieten uit de roulatie te nemen op een moment dat de ingebouwde terugkeervoorzieningen nog steeds goed werken. Ook op aarde kun je het beste afscheid nemen op (of net na) je hoogtepunt. ESA testte een dergelijke verwijderingsmanoeuvre al in 2011 met de ERS-2-exploratiesatelliet. Enkele bijzonder grote objecten die de ruimtesnelwegen blokkeren, moeten echter vroeg of laat door speciale ‘verwijderingssatellieten’ uit hun baan gehaald worden.
Spaceshuttle-astronauten verzamelden al in de jaren tachtig defecte satellieten. Het Europese idee om zelf met gespecialiseerde ‘vuilniswagens’ te beginnen, start onder de missienaam e.Deorbit. ESA wil daar vóór 2025 mee aantonen hoe je een defecte satelliet kunt opvangen en verwerken. Daarvoor moet je die objecten eerst lokaliseren.
DE BAAN IN HET OOG
Een aantal instellingen over de hele wereld houdt het ruimteafval in de gaten, zoals het Space Surveillance System in de VS en de ESA Space Debris Telescope op Tenerife. In Duitsland werkt ESA samen met de Tracking and Imaging Radar (TIRA) van het Fraunhofer Institute for High Frequency Physics and Radar Technology (FHR) bij Bonn. Een aantal activiteiten voor het opsporen en vermijden van ruimteafval wordt gebundeld in het ESOC in Darmstadt.
De bevindingen van de organisaties komen in de DISCOS-database (Database and Information System Characterising Objects in Space), die momenteel 38.700 deeltjes volgt die in een baan om de aarde zijn gekomen sinds het lanceren van de eerste satelliet, Sputnik 1. Voor het beoordelen van risico’s, ook van meteorieten, onderhoudt ESA het wiskundige analyseprogramma MASTER (Meteorid and Space Debris Terrestrial Environment Reference), dat objecten omvat van 1 nanometer tot 100 meter.
Voor langetermijnvoorspellingen gebruikt ESA het DELTA-programma. Dat staat voor Debris Environment Long-Term Analysis. Dat blijft de bewegingen van alle objecten van een bepaalde grootte volgen. Er is ook een aantal andere databases en tools met verschillende uitgangspunten, hetzij voor de voorspelling of de beoordeling van de gevolgen van een botsing.
PERSPECTIEF
Als alles volgens de plannen van de ruimtevaartorganisaties verloopt, kan de gevaarlijke ophoping van ruimteafval rond de aarde stoppen als men er consequent voor zorgt dat op de planning voor alle ruimteobjecten ook hun verwijdering is opgenomen, dat ruimteactiviteiten beter worden gecoördineerd en geautomatiseerd en dat bovendien elk jaar een aantal van de grootste probleemobjecten door ruimtemissies uit hun banen verwijderd worden.