Op 22 september 2020 klinkt er een alarm op het internationale ruimtestation ISS. Er komt een object op het station af. Hier, 400 kilometer boven de aarde, is een botsing potentieel rampzalig. Terwijl de astronauten aan boord gaan van de Sojoez-reddingssloep, worden de raketmotoren van het ISS gestart om het ruimtestation in een paar minuten buiten de gevarenzone te brengen.
Sinds 1999 hebben de astronauten op het ISS 26 keer zo’n manoeuvre moeten maken om een botsing te voorkomen met een van de vele duizenden kleine en grote stukken ruimtepuin die om de aarde draaien.
En de kans op een botsing wordt steeds groter.
De komende 10 jaar zal het aantal actieve satellieten waarschijnlijk toenemen van 3600 tot 10.000. De vele satellieten moeten botsingen met elkaar en met de vele rondrazende wrakstukken zien te vermijden.
Astronaut Tim Peake wijst naar een barstje van 7 mm in de glazen koepel van het ISS. Waarschijnlijk heeft een verfschilfer of microscopisch klein stukje metaal het glas geraakt.
Gelukkig worden er momenteel voertuigen en technologieën ontwikkeld om oude satellieten te verwijderen en de vele nieuwe veilig rond de aarde te leiden. Want als we nu niets doen, zal de hoeveelheid ruimteafval uiteindelijk nieuwe lanceringen in de weg staan.
Ruimtepuin bedreigt missies
Uiteindelijk raken alle satellieten door hun energie heen. De huidige gaan doorgaans vijf tot 15 jaar mee. Daarna kunnen ze hun baan niet meer handhaven.
Sommige satellieten storten neer en verbranden in de atmosfeer, maar andere blijven inactief rondzweven in zogeheten kerkhofbanen. Op dit moment draaien er duizenden van zulke satellieten rond de aarde.
En ze zijn niet alleen.
Bij de lancering van raketten worden de onderste delen een voor een afgekoppeld naarmate de brandstof opraakt. Volgens de analysedienst CelesTrak cirkelen er daardoor momenteel meer dan 2000 grote raketonderdelen doelloos rond de aarde.
De kans bestaat dat ze op andere vaartuigen botsen – of ongecontroleerd neerstorten, zoals in mei 2021 gebeurde met een Chinese raket van 18 ton.
Heb jij het gevolgd toen een Chinees raketdeel neerstortte?
Meestal storten raketdelen gecontroleerd neer, maar recent knalde een deel van een Chinese raket van 21 ton volledig ongecontroleerd de atmosfeer binnen:
Puin van Chinese raket raast op de aarde af
Het lukt raketbouwers steeds beter om afgedankte raketdelen niet te laten eindigen als gevaarlijk ruimteafval, maar gecontroleerd te laten neerstorten en verbranden in de atmosfeer. In 2019 voldeed volgens de Europese Ruimtevaartorganisatie ESA 70 procent van de rakettrappen aan de VN-richtlijnen om de hoeveelheid ruimtepuin te beperken, tegenover iets meer dan 20 procent in 2000.
Desondanks staan we nu al voor een gigantische uitdaging. Er draaien namelijk 1 000 000 stukken ruimteschroot met een diameter van meer dan een centimeter om de aarde, aldus ESA.
Satellieten staan in de rij
De eerste satellieten die in een baan om de aarde gingen, waren duur en wogen enkele tonnen. Sindsdien zijn het gewicht en de prijs gekelderd, en nu worden ze gebouwd op het CubeSat-formaat van 10 bij 10 centimeter. Ook raketten zijn de afgelopen jaren veel goedkoper geworden.
Daardoor bouwen steeds meer ruimtevaartorganisaties en private bedrijven nu satellieten.
Een voorbeeld zijn de Starlink-satellieten, waarmee het ruimtevaartbedrijf SpaceX satellietinternet wil gaan aanbieden. Het bedrijf lanceert elke maand 60 Starlink-satellieten en wil er in totaal 12.000 lanceren.
SpaceX krijgt concurrentie van onder meer Amazon en OneWeb. OneWeb wil meer dan 600 satellieten in een baan om de aarde brengen, en Amazon ruim 3000.
Critici zijn bezorgd dat met de talrijke satellieten het risico op botsingen sterk zal toenemen.
En dat risico is al hoog. Vanaf het begin van het ruimtetijdperk tot 2019 zijn er volgens ESA 561 bevestigde botsingen geweest waarbij satellieten, rakettrappen en ander ruimteafval aan puin zijn geslagen.
Ruimteafvalexpert Don Kessler van NASA beschreef al in 1978 in een beroemd artikel hoe toenemende hoeveelheden ruimtepuin een kettingreactie kunnen veroorzaken waarbij door botsingen ruimtepuin ontstaat, wat weer leidt tot meer botsingen en dus meer ruimtepuin, enzovoort.
Zelfs de kleinste stukjes ruimtepuin kunnen grote schade aanrichten.
Dat ondervonden astronauten aan boord van het ISS in 2016, toen er een scherfje van circa zeven millimeter van het glas van de observatiekoepel werd geslagen.
Volgens ESA is de beschadiging waarschijnlijk veroorzaakt door een verfschilfer of stukje metaal van een paar duizendste van een millimeter groot. Een stuk puin van slechts 1 centimeter kan een gat slaan in een bemanningsmodule van het ruimtestation, en een stuk van 10 centimeter kan een heel ruimtevaartuig verwoesten.
1 000 000 objecten van meer dan 1 centimeter doorsnee draaien er om de aarde.
Naarmate ruimteafval een grotere bedreiging vormt voor de ruimtevaart, houden wetenschappers de grote en kleine objecten rond de aarde steeds beter in de gaten. En er worden vaartuigen gebouwd om opruiming te houden in de ruimte.
Astrofysicus Moriba Jah van de universiteit van Texas in Austin is een van de meest vooraanstaande onderzoekers van ruimtepuin ter wereld. Hij ontwikkelde een gedetailleerde computersimulatie van de banen van satellieten en het ruimtepuin dat ze absoluut niet mogen raken.
In een interview met techwebsite The Verge noemt Moriba Jah als een van de grote problemen met ruimtepuin dat kleine afwijkingen in de radarobservaties waarmee de banen in kaart worden gebracht, de metingen zeer onzeker maken. Zelfs minieme afwijkingen kunnen al leiden tot onnauwkeurigheden van een paar honderd meter.
Daardoor is moeilijk te voorspellen wanneer en op welke afstand een stuk ruimtepuin bijvoorbeeld het ISS passeert.
28.000 km/h gaat ruimtepuin in een lage baan om de aarde.
De meest voor de hand liggende manier om die onzekerheden te lijf te gaan is nauwkeuriger waarnemingen te doen – en daarvoor moet de meetapparatuur dichter bij de satellieten en het ruimtepuin komen.
Daarom verschuift de focus nu van telescopen op aarde naar satellieten in een baan om de aarde.
Verkeerspolitie in de ruimte
Het lijkt misschien paradoxaal om het drukteprobleem op te lossen door meer satellieten te lanceren, maar toch is dat het doel van de zogeheten Skylark-constellatie.
Skylark moet als een verkeersregelaar in de ruimte gaan fungeren. Er worden 12 satellieten gelanceerd, die de vele satellieten, raketdelen en fragmenten in de gaten gaan houden, aldus Stewart Bain, CEO van NorthStar, dat Skylark ontwikkelt.
‘Je moet eigenlijk denken aan een soort luchtverkeersleiding in de ruimte. Want als de kans op een botsing 1 op 1000 was, zou je nooit in een vliegtuig stappen. En de kans op een botsing (in de ruimte, red.) neemt toe,’ vertelt hij aan Wetenschap in Beeld.
De Skylark-satellieten hebben camera’s die foto’s nemen van passerende satellieten en stukken ruimtepuin. Aan de hand daarvan worden de banen van de objecten rond de aarde in kaart gebracht.
Luchtverkeersleiders brengen puin in kaart in 3D
1. Satellieten fotograferen verkeer
In totaal zijn er 12 Skylark-satellieten uitgerust met camera’s. De satellieten vliegen in constellaties van drie, die elk één object tegelijk fotograferen, zoals een satelliet of een stuk ruimtepuin dat het totale blikveld passeert.
2. Computers berekenen precieze banen
De objecten worden vanuit drie hoeken gefotografeerd, en Skylark verzamelt zo drie sets informatie over richting en snelheid. Met die data wordt een driedimensionale kaart gemaakt van de banen van de objecten rond de aarde.
3. Botsingen worden vermeden
Met de 3D-kaart kunnen potentiële botsingen eerder en preciezer worden voorspeld dan nu. Daardoor kunnen ruimtevaartuigen en satellieten uit het traject van een rakettrap of satelliet worden gebracht.
Met die kennis kan er een catalogus worden aangelegd met honderdduizenden objecten, waarna computers de kans op botsingen nauwkeuriger kunnen berekenen dan voorheen het geval was met observaties vanaf de aarde, meent Bain.
Opruimvaartuigen stijgen op
Hoe precies we de banen rond de aarde ook in de gaten houden en reguleren, de vele objecten die om de aarde heen draaien, verdwijnen niet vanzelf.
Daarom worden er op dit moment verschillende vaartuigen geïntroduceerd die de ruimte kunnen opschonen.
Een voorbeeld is ClearSpace-1, dat ESA wil lanceren om een van haar eigen stukken schroot op te ruimen, een verbindingsmodule van een Vega-raket.
Met zijn straalpijpen kan ClearSpace-1 tussen verschillende banen navigeren. Ook heeft hij een mechanische grijper bij zich om stukken puin mee vast te pakken. Als het vaartuig zijn doelwit stevig vast heeft, stort hij samen met het schroot de atmosfeer in, waar ze samen verbranden.
Op zijn eerste missie moet de grijper ClearSpace-1 op circa 700 kilometer hoogte een verbindingsmodule vangen die ESA in 2013 in de ruimte achterliet.
Het Japanse bedrijf Astroscale is iets vergelijkbaars van plan met het vaartuig End-of-Life Services by Astroscale (ELSA), dat recent zijn eerste succesvolle test heeft gedaan op 500 kilometer hoogte onder de naam ELSA-d – voor demonstratie.
Het vaartuig ving een satelliet – een testversie van 17 kilo. Niet met een grijpmechanisme, maar slechts met behulp van een magneet.
Als ELSA-d ook in komende testmissies zijn waarde bewijst, zal het vaartuig in de toekomst verdwaalde satellieten naar zich toe trekken en ze veilig naar de atmosfeer laten vallen om te verbranden.
ELSA’s eerste echte missie begint volgens plan in 2022. Astroscale brengt dan de baan van een oud Japans raketonderdeel in kaart, dat vervolgens zal worden opgeruimd.
Het vaartuig ELSA-d test de magneet die ruimtepuin moet vangen op een testsatelliet van 17 kilo.
Soms moet ruimtrschroot niet verbranden, maar worden geheractiveerd – zoals satellieten die te weinig brandstof over hebben om in hun baan te kunnen blijven.
Daar heeft onder meer Iridium Communications mee te maken. 23 van de 95 gelanceerde satellieten van dit bedrijf zijn inactief en vliegen 700 à 800 kilometer boven de aarde doelloos rond. Ze kunnen minstens 100 jaar in deze baan blijven als ze niet actief worden verplaatst.
Daarom heeft het bedrijf Northrop Grumman het vaartuig Mission Extension Vehicle-1 (MEV-1) gebouwd. MEV-1 kan zich aan inactieve satellieten koppelen, deze terugbrengen in een actieve baan en zo hun levensduur met maximaal vijf jaar verlengen.
MEV-1 is al bezig met zijn eerste missie. Die begon in 2020, toen het vaartuig zich aan Intelsat 901 koppelde – een 20 jaar oude communicatiesatelliet die door zijn brandstof heen raakte en daarom in een inactieve baan was gegaan, een kerkhofbaan.
MEV-1 nam de besturing van Intelsat 901 over en bracht de satelliet terug naar de juiste baan. Nu kan de satelliet tot 2025 werkzaam blijven.
Ruimtevuilnismannen ruimen op
1. Grijper botst op puin
In 2025 wordt ClearSpace-1 gelanceerd. Dit vaartuig lokaliseert afgedankte satellieten, navigeert ze met straalpijpen naar hun baan en pakt ze met een grijper vast. Dan vallen ze samen terug naar de atmosfeer, waar ze verbranden.
2. Vaartuig wekt zombies tot leven
Als de energie van een satelliet op is, stort hij neer of komt hij in een andere baan, waar hij doelloos rondzweeft. Het vaartuig MEV-1 neemt de controle over deze ‘zombies’ over en brengt ze terug naar een actieve baan.
3. Magneet vangt ruimtepuin
Het Japanse vaartuig ELSA-d weegt 175 kilo en heeft een magneet die oude satellieten en grotere stukken ruimtepuin kan aantrekken. Vervolgens duwt ELSA-d het object de atmosfeer in, waar ze beide verbranden.
De vraag is of we het risico lopen dat het misgaat met het duizelingwekkende aantal nieuwe satellieten voordat de nieuwe ‘verkeersregelaars’ en ‘ruimtevuilnismannen’ de situatie onder controle krijgen.
En kunnen kettingreacties van botsend ruimtepuin de ruimtevaart echt stilleggen, zoals Don Kessler ruim 40 jaar geleden waarschuwde?
Moriba Jah zegt op The Verge dat hij voorzichtig optimistisch is. De lancering van nieuwe satellieten kan immers altijd worden stopgezet als het mis begint te gaan.
Maar als we zo veel satellieten willen blijven lanceren als we nu doen, is er nieuwe technologie nodig.
Alles wat gelanceerd wordt, moet worden voorzien van navigatieapparatuur, zodat het ofwel veilig terug naar de dampkring kan worden geleid, ofwel op een eindeloze reis de ruimte in kan worden gestuurd. Dan lopen de banen om de aarde niet meer vol.