Kuipers' angstige momenten
Het is vrijdag 23 maart 2012 als André Kuipers een alarmerend bericht krijgt. Hij bevindt zich dan samen met vijf andere astronauten op meer dan driehonderd kilometer boven de aarde, in het International Space Station. Het commandocentrum op aarde heeft code rood afgegeven, omdat er een stuk ruimteafval gesignaleerd is, waarvan de positie en het traject moeilijk precies te voorspellen zijn. Maar zeker is dat de rommel het ISS op relatief korte afstand zal passeren.
Er is te weinig data beschikbaar over het naderende afval van een oude Russische satelliet om een ontwijkingsmanoeuvre uit te voeren. Vanwege het risico op een inslag, met mogelijk catastrofale gevolgen, zoeken Kuipers en zijn collega's hun toevlucht in een van de twee Russische Sojoez-capsules. Op zaterdagochtend sluiten ze de luiken van het ISS en wachten gespannen af in de capsule. Bij een inslag moet het reddingsschip hen terug naar de aarde brengen.
/i/2001503953.jpeg?f=imagenormal)
Het luik naar ESA's laboratorium Columbus werd uit voorzorg gesloten
Sentinels inslag
Tot een inslag komt het niet, het puin scheert langs het ISS zonder dit te raken, maar de evacuatie is tekenend voor een groeiend probleem; er is steeds meer rommel in de ruimte om de aarde. "Dit heeft twee gevolgen: er is een steeds hogere kans op botsingen in de ruimte en grote stukken afval kunnen neerstorten op aarde. Ze verbranden grotendeels, maar van sommige satellieten met grote brandstoftanks kunnen resten overblijven en die kunnen gevaar opleveren voor mensen op aarde."
Aan het woord is Robin Biesbroek, hij overziet bij de European Space Agency het onderzoek naar technieken voor het opruimen van het ruimteafval. Als onderdeel van het Clean Space-initiatief heeft de Europese ruimtevaartorganisatie namelijk de e.Deorbit-missie in het leven geroepen. Biesbroek onderzoekt bij het European Space Research and Technology Centre, kortweg Estec, in Noordwijk de haalbaarheid van 'ruimtepuinruimers'. Half april deelde hij zijn laatste resultaten met collega's wereldwijd, bij ESA's European Conference on Space Debris.
Een van de voorvallen die daar werden besproken, betrof de Sentinel 1A. "Deze satelliet moest in 2014 al snel na de lancering uitwijken om een botsing te voorkomen. Het was nog niet eerder voorgekomen dat dit zo snel moest gebeuren. De zonnepanelen waren nog niet eens uitgeklapt. Twee jaar later is de satelliet toch geraakt door een klein stukje ruimteafval van enkele millimeters, waardoor de zonnepanelen zijn beschadigd. Daardoor heb je minder stroom", vertelt Biesbroek. Naast een daling in de stroomtoevoer, constateerde ESA's European Space Operations Centre in Darmstadt een lichte verandering van koers en oriëntatie.
/i/2001502061.jpeg?f=imagenormal)
Op 23 augustus werd een anomalie geconstateerd bij Sentinel 1A. ESA schakelde de camera's van de satelliet in om te kijken wat er aan de hand was. Eigenlijk waren de camera's alleen aanwezig om na de lancering te bevestigen dat de zonnepalen waren uitgeklapt. De beheerders troffen een beschadigd oppervlak met diameter van 40cm aan, veroorzaakt door een stuk ruimteafval van enkele millimeters.
Sinds 1957, toen de Space Age begon, zijn er in totaal meer dan 5250 lanceringen geweest. Veel van wat de ruimte is ingebracht, zweeft nu nog rond. Van alle ruimteobjecten die op dit moment geregistreerd zijn, betreft bijna een kwart een satelliet, waarvan minder dan een derde nog operationeel is. Bij nog eens 18 procent gaat het om gebruikte raketonderdelen die ronddolen. Een steeds groter percentage van het rondzwervende afval, inmiddels 58 procent, is afkomstig van de meer dan 290 explosies en zo'n 10 botsingen in de ruimte.
/i/2001503979.png?f=imagenormal)
Copyright: ESA, CC BY-SA 3.0 IGO
Dat alles bij elkaar heeft ertoe geleid dat er miljoenen stukjes afval rondzwerven, waarvan tienduizenden resten groter zijn dan 10cm. In de praktijk worden ongeveer 23.000 ruimteobjecten geregistreerd en gemonitord. Dat gebeurt door het Amerikaanse Space Surveillance Network. De radars en sensoren tracken de duizenden objecten in de ruimte vanaf 25 locaties wereldwijd. Heel precies is de detectie niet en objecten kleiner dan een honkbal onttrekken zich aan de monitoring. De ESA overweegt zijn eigen surveillancenetwerk op te zetten, ook om minder afhankelijk te zijn van de Amerikanen.
Schatting van het aantal rondzwervende ruimteobjecten in banen rond de aarde |
Groter dan 10cm |
29.000 |
1cm tot en met 10cm |
750.000 |
1mm tot 1cm |
166.000.000 |
Bron: ESA
Klein afvalrestje, grote gevolgen
Deeltjes ter grootte van een millimeter kunnen al flinke beschadigingen veroorzaken, zoals het voorbeeld van de Sentinel 1A liet zien. Projectielen van een centimeter kunnen elektronica zo beschadigen dat missies afgebroken moeten worden en bij objecten groter dan 10cm behoort complete desintegratie van satellieten tot de mogelijkheden. Dat komt door de hoge snelheden waarmee ze botsen, tot wel 15km/s.
Al die stukjes opruimen is onmogelijk, geeft Biesbroek toe. Zijn project richt zich dan ook op het verwijderen van enkele grote objecten. Dat lijkt weinig zoden aan de dijk te zetten, maar het is wel degelijk efficiënt, omdat zo met relatief weinig moeite veel massa uit de ruimte verdwijnt. Massa verwijderen uit low earth orbit heeft veel zin. Het aantal objecten in die banen groeit nog altijd sterk, maar omdat het de trend is om kleinere satellieten te gebruiken, onder andere vanwege de kosten, stijgt de massa minder sterk. In geostationary orbit, op 35.000 tot 42.000 kilometer hoogte, neemt de hoeveelheid massa wel sterk toe.
/i/2001507745.png?f=imagenormal)
"De bron van het probleem ligt bij grote satellieten die tegen elkaar botsen. Het aantal fragmenten van botsingen is exponentieel gestegen de laatste paar jaar." Hij verwijst naar de botsing van Iridium-33 met Cosmos-2251 begin 2009. De botsing van die satellieten leverde een enorme wolk aan brokstukken op, waarvan er zo'n 2300 getraceerd konden worden. Twee jaar eerder beschoot China met een raket zijn eigen weersatelliet Fengyun-1C bij wijze van test. Dit experiment had maar liefst 3400 op drift geraakte fragmenten tot gevolg.
Helaas!
De video die je probeert te bekijken is niet langer beschikbaar op Tweakers.net.
De botsing tussen Iridium-33 en Cosmos-2251 in 2009 boven Siberie was de eerste grote botsing tussen twee satellieten. De ruimtevaartuigen raakten elkaar met een snelheid van 11,7km/s. Bron: AGI.
"De exponentiële stijging verloopt precies zoals Kessler in de jaren zeventig voorspelde", aldus Biesbroek. In 1978 schetste NASA-wetenschapper Donald Kessler een scenario waarin het zo druk werd in low earth orbit dat botsingen tot een domino-effect zouden leiden. Elke crash levert nieuwe ronddolende brokstukken op, die de kans vergroten op nieuwe inslagen. Het effect staat sindsdien bekend als het Kessler-syndroom.
Niet overal is de kans op een botsing even groot. Er blijken hotspots te zijn: punten waar satellieten vaak samenkomen. De kunstmanen bevinden zich in polaire banen en boven de polen zijn knooppunten waar ze relatief vaak samenkomen. Het dichtstbevolkt zijn de regio's boven de polen in low earth orbit, zoals op 850 kilometer hoogte bij een inclinatie van 71º of 1000 kilometer bij 82º. Wetenschappers stellen voor om deze knooppunten extra te monitoren op mogelijke botsingen.
/i/2001507743.png?f=imagenormal)
Visuele weergave van een hotspot met grote afvaldichtheid boven een pool in 2055 zonder maatregelen en met maatregelen. Copyright: CC BY-SA 3.0 IGO
Als NASA-wetenschappers als Kessler in de jaren zeventig al rekening hielden met een scenario van een toenemend aantal botsingen, waarom lijkt de bewustwording dan nu pas op gang te komen? "Ja, het is eigenlijk ongelooflijk", geeft de Estec-medewerker toe. "Er zijn altijd mensen die uitgaan van een best-case scenario en beweren: wie zegt dat er wat gaat gebeuren? Vooral als het geld kost om nieuwe dingen te ontwikkelen. Vergeet ook niet, tot nu toe hadden we de technieken niet om ruimterommel weg te halen. Bij de Space Debris-conferentie van acht jaar geleden was er bijna niets over het verwijderen. Bij de voorgaande, vier jaar geleden, hielden we de eerste presentaties over onze plannen. Nu was er een hele dag georganiseerd, speciaal voor het verwijderen van afval."
Volgens Biesbroek zit de hele wereld te wachten wie de eerste verwijdertechnieken ontwikkelt. "Het is nog nooit gedaan. Er is nog nooit iemand geweest die ruimteafval heeft beetgepakt en verwijderd. Mensen zijn zich er vaak niet van bewust hoe lastig het is. Als je iets aantikt in de ruimte, vliegt het weg. Bovendien draait het rond. Met lasers hebben we achterhaald dat stukken heel snel, met enkele graden per seconde roteren. Dit soort situaties zijn enorm lastig te simuleren op aarde."
Robotarm en werpnet
Het plan voor e.Deorbit is momenteel om een satelliet te bouwen die van een robotarm is voorzien. De opruimsatelliet moet zich naar het afval bewegen en dit met de robotarm vastpakken. "Je hebt een heel sterke en intelligente arm nodig met veel gewrichten en camera's erin. Daarnaast werken we aan een klem die voor extra grip zorgt en die de krachten kan opvangen, want zodra de e.Deorbit-satelliet iets beetpakt, gaat hij met het afval meedraaien. Om die rotatie te kunnen stoppen, zijn stuwraketjes in alle richtingen aanwezig."
/i/2001504079.jpeg?f=imagenormal)
Copyright: CC BY-SA 3.0 IGO
De innige omhelzing is dan nog niet voorbij. Grote raketten stuwen de combinatie vervolgens in de richting van de atmosfeer. Ook om deze krachten te weerstaan moet de klem de objecten stevig bij elkaar houden. Het brokstuk en de opruimsatelliet vergaan grotendeels in de dampkring. "Er mag niks in de ruimte achterblijven", stelt Biesbroek. "Aan de ene kant is dat zonde, maar aan de andere kant ruimen we er veel massa mee op. Als het werkt, kunnen we het ontwerp opnieuw gebruiken voor kleinere satellieten, waardoor de kosten kunnen dalen."
Helaas!
De video die je probeert te bekijken is niet langer beschikbaar op Tweakers.net.
Het eerste stuk rommel waarop e.Deorbit zich wil richten, is de Envisat, een omvangrijke observatiesatelliet die in 2002 is gelanceerd en waarvan in 2012 het contact werd verbroken. "Het is een ideale startkandidaat, want de dimensies en massa van Envisat zijn te vergelijken met die van veel rakettrappen die nog in de ruimte hangen en hij draait ook rond. Bovendien is het onze eigen satelliet, dus hebben we geen lastige discussies over de verantwoording als het fout gaat. Met het gevaarte halen we in één klap 8000 kilo massa uit de ruimte." Niet alles verbrandt echter in de atmosfeer. "De grens ligt bij gemiddeld 1000 kilo. De e.Deorbit-verbranding zal dus boven een oceaan moeten gebeuren."
De missie bevindt zich volgens de projectleider momenteel in de ontwerp- en testfase. "We zijn op steeds grotere schaal simulaties aan het doen en op kleine schaal aan het testen. We hebben bijvoorbeeld een robotlaboratorium waar we een botsing tussen een arm en een kleinschalige satelliet kunnen testen. Zo kunnen we zien hoe lang we nodig hebben om de robothand dicht te doen voordat de satelliet uit het zicht verdwijnt. We hebben ook een navigatielaboratorium waar we verschillende camera's testen. Met visuele, infrarood- en multispectrumcamera's bootsen we verschillende situaties met lichtinval na."
Die lichtinval is een van de problemen die spelen bij de objectherkenning. Biesbroek en zijn team kunnen gebruikmaken van de vorderingen die er zijn op het gebied van machine learning, maar de situatie in de ruimte leidt tot complicaties. "De telefoon in mijn broekzak kan mijn gezicht herkennen en iets grappigs projecteren, maar de algoritmes hiervoor zijn voor ons pas het begin. Door de rotatie verandert de lichtval in de ruimte continu. De objectherkenning moet werken als licht recht op de camera valt, en dan weer vanaf de zijkant, en met tussenpozen als er helemaal geen licht is. Kunnen we dan toch met onze computerprogramma's zien hoe het afval ronddraait en het blijven volgen? Dat zal enorm getest moeten worden." Om alle signalen van de camera's te verwerken zal de opruimsatelliet een computer bevatten, terwijl een tweede computer de besturing van de robotarm voor zijn rekening zal nemen.
De ESA werkt ook aan een aanvulling of alternatief voor de robotarm: een net dat door de e.Deorbit-satelliet kan worden weggeschoten om een doelwit te vangen en mee te slepen. "Het schieten van de netten hebben we al getest bij paraboolvluchten op een klein satellietje, van enkele meters afstand. We hebben hiervoor ons eigen zero-g-vliegtuig, net als NASA's Vomit Comet."
Copyright: CC BY-SA 3.0 IGO
Het lijkt veel makkelijker om de satellieten weg te duwen, de ruimte in, maar dat staat haaks op wat de ESA met Clean Space probeert te bereiken, benadrukt de projectleider. "Op de lange termijn los je daarmee niks op. Dat is hetzelfde als wanneer ik mijn vuilniszak op een achterafveldje gooi. Als iedereen dat zou doen, is het binnenkort een vuilnisbelt. Stel dat organisaties hun satellieten van low earth orbit naar bijvoorbeeld tweeduizend kilometer hoogte brengen. Nu is het daar nog erg rustig, maar dan zul je zien dat het er over vijftig jaar vol ruimteschroot zit." Toch is het niet denkbeeldig dat satellieten naar die hoogte moeten uitwijken. "Als het te lang gaat duren voordat we beginnen met opruimen en er gebeuren botsingen, dan heb je kans dat we de satellieten moeten schuiven", erkent Biesbroek.
Op zijn vroegst in 2023
Voorkomen is beter dan genezen. De Inter-Agency Space Debris Coordination Committee, kortweg IADC, heeft in 2002 Post Mission Disposal-richtlijnen opgesteld. Deze bepalen dat wie objecten de ruimte inbrengt, verantwoordelijk is voor het opruimen ervan. De richtlijnen worden niet goed nageleefd en gaan bovendien uit van een kans van negentig procent dat de poging slaagt. De bedoeling is dat het laatste restje brandstof gebruikt wordt om het ruimteobject te laten dalen, maar de ESA constateert dat organisaties hun satellieten zo lang mogelijk blijven gebruiken.
Slechts een kwart van de rakettrappen en tien procent van de satellieten in de kwetsbare low earth orbit wordt op deze manier met succes naar veilige oorden gemanoeuvreerd. De ESA denkt daarom na over het ontwikkelen van brandstofraketjes die autonoom de laatste burn leveren. Daarnaast wil de ESA dat het percentage van negentig wordt verhoogd, zodat ruimtevaartorganisaties beter hun best doen. "Denk bijvoorbeeld aan megaconstellaties van vierduizend satellieten", zo brengt Biesbroek naar voren. "Als tien procent daarvan niet netjes opgeruimd hoeft te worden, heb je nog steeds veel over."
/i/2001510907.png?f=imagenormal)
Schatting van de toename van fragmenten na een ruimtebotsing als de Post Mission Disposal-richtlijnen in het geheel niet worden nageleefd (rood) en als de succeskans van negentig procent wordt aangehouden (blauw)
Er zijn steeds meer plannen om dergelijke grote hoeveelheden kleine satellieten, zoals cubesats met de grootte van een melkpak, de ruimte in te brengen, bijvoorbeeld om wereldwijd internetdekking te bieden. Deze trend baart de ESA zorgen, hoewel de totale massa gering is. De organisatie is daarom een studie begonnen naar de haalbaarheid van kleine opruimsatellietjes die meegelanceerd worden bij dat soort megaconstellaties. Die moeten in actie komen als een van de honderden minisatellieten niet meer functioneert. Na het opruimen moet de schoonmaker terug naar zijn plek, wachtend op de volgende storing.
Dat is allemaal nog toekomstmuziek, in tegenstelling tot e.Deorbit, maar hoewel de technieken hiervoor actief ontwikkeld worden, is het ook bij dit project allerminst zeker of het wordt uitgevoerd zoals Biesbroek en zijn team willen. Het afronden van het ontwerp en testen van de technieken zijn begroot op zo'n 40 miljoen euro. De ontwikkeling van de robotarm moet 11,5 miljoen euro kosten, die van de navigatie 10 miljoen euro en het net vergt een investering van 6 miljoen euro. Over die onderdelen maakt Biesbroek zich geen zorgen, maar of de ESA-lidstaten de financiën voor de systeemstudie, het ontwerp van de uiteindelijke e.Deorbit-satelliet, gaan toezeggen, is hoogst onzeker.
De Raad van Ministers beslist eind 2019, tijdens een bijeenkomst in Spanje, over het bouwen, testen en klaarmaken van de lancering. De vooruitzichten zijn volgens Biesbroek op dit moment niet gunstig. Mocht de lancering wel groen licht krijgen, dan is volgens hem nog vier jaar nodig voor het echte traject van bouwen tot en met lancering. Als alles goed gaat, kan de eerste lancering van een opruimsatelliet in 2023 plaatsvinden. Als er geen geld wordt toegezegd, zou de ruimtevaart weleens tegen een groot probleem aan kunnen lopen. Een serieus alternatief is er namelijk niet. "Er zijn wereldwijd wel zo'n vier of vijf projecten voor het opruimen van ruimteafval, bijvoorbeeld om met lasers vanaf de grond de koers van satellieten te wijzigen, maar die richten zich op kleine objecten. Op lange termijn levert dat niets op", stelt Biesbroek. "Ook de NASA werkt hier niet aan. Met ons project om grote objecten te verwijderen zijn we uniek."
/i/2001504093.jpeg?f=imagenormal)
Tweakers organiseert dinsdag 23 mei van 17:30 - 22:00 een Meet-up over Ruimtevaart bij de Universiteit Twente. Jesús Gil, Guidance, Navigation and Control Systems Engineer bij de European Space Agency houdt daar een presentatie over Clean Space. Kaarten bestellen kan bij de actiepagina.