De ruimtevaart wordt door zijn eigen schroot bedreigd

In de beginperiode van de ruimtevaart waren velen bang dat de kwetsbare ruimtevaartuigen een gemakkelijke prooi zouden vormen voor micrometeorieten uit het zonnestelsel. De Nederlandse staatsrechtsgeleerde George van den Bergh, tevens bekend als amateur-astronoom, was ervan overtuigd dat de mens hierdoor nooit in de ruimte zou kunnen verblijven. Die vrees bleek ongegrond: micrometeorieten zijn geen echt gevaar voor mens en satelliet. Wat echter wel zorg baart is het groeiende aantal grotere deeltjes dat tijdens activiteiten in de ruimte ontstaat.

Sinds het begin van de ruimtevaart is de hoeveelheid afval dat rond de aarde draait gestaag toegenomen. Momenteel draaien er meer dan 7000 objecten groter dan ongeveer 10 cm in banen om de aarde. Hieronder bevinden zich slechts een 400 functionerende satellieten. Bijna de helft bestaat uit afgedankt materiaal: niet meer werkende satellieten, rakettrappen, afwerpmechanismen, onderdelen enzovoorts. En ruim de helft bestaat uit fragmenten van raketten en satellieten die uiteen zijn gespat.

In totaal draait er zo'n drieduizend ton ruimtepuin om de aarde. Deze maand werd in Darmstadt op het ESOC, het vluchtleidingscentrum van het Europese ruimtevaartagentschap ESA, een internationaal congres over dit milieuprobleem gehouden. Daar werd duidelijk dat er iets aan de groei moet worden gedaan voordat de hoeveelheid afval straks zo groot wordt dat de ruimtevaart zelf onmogelijk wordt.

De aardse dampkring heeft een belangrijke "opruimfunctie', maar die werkt alleen bij objecten die op hoogten tot ruwweg 500 km rond de aarde draaien. Die objecten ondervinden een geringe, maar niet te verwaarlozen luchtweerstand. Hun banen worden geleidelijk kleiner en uiteindelijk verbranden ze in de dichtere lagen van de atmosfeer. Slechts in een enkel geval bereikt een groot brokstuk de aarde, zoals eertijds van Skylab, Kosmos-954 en Saljoet/Kosmos-1686.

Op grotere hoogten, en zeker boven de duizend kilometer, is de luchtweerstand vrijwel nul. Objecten op deze hoogten kunnen duizenden jaren blijven rondcirkelen. Hier neemt hun aantal dan ook in snel tempo toe. Dit is vooral het geval op die hoogten die het meest aantrekkelijk zijn voor satellieten: tussen 900 en 1500 km (voor bijvoorbeeld aardobservatie) en op 36.000 km (de geostationaire baan, vooral voor communicatie).

Surveillance Network

Het ruimteschroot wordt nauwlettend in de gaten gehouden vanuit de Verenigde Staten, Rusland en enkele Europese landen. In de VS berust deze taak bij het US Space Command. Diep in het Cheyennegebergte, bij Colorado Springs, worden de banen berekend van de objecten die worden waargenomen met het Space Surveillance Network: een wereldwijd netwerk van 29 radarposten en 8 optische stations.

Het grote probleem ligt niet bij de ruim 7000 objecten van 10 cm en groter die met dit netwerk kunnen worden waargenomen en gevolgd. Als hun banen bekend zijn, kan men ze ontwijken. Op 8 december vorig jaar verrichtte de space shuttle Discovery een manoeuvre om een object van 10 cm te ontwijken. Een jaar eerder had de Atlantis tweemaal moeten uitwijken voor de laatste trap van een raket die een Kosmos-satelliet had gelanceerd.

Veel gevaarlijker is het veel grotere aantal kleinere objecten dat niet op de radar zichtbaar is. Volgens ESA-wetenschapper H. Klinkrad zou het aantal van 1 tot 10 cm diameter 70.000 tot 140.000 bedragen. Zo'n object, voortsnellend met een vaart van enkele kilometers per seconde, vertegenwoordigt een enorme hoeveelheid energie en kan een peperdure satelliet in één keer onklaar maken. Men schat dat er een kans van 4 procent is dat de Hubble-ruimtetelescoop in de loop van 17 jaar door een puindeeltje van groter dan een centimeter wordt getroffen.

Naar het aantal nog kleinere fragmenten kan men slechts gissen: wellicht bedraagt het vele miljoenen. Al meer dan twintig keer moest een raampje van een van de Amerikaanse space shuttles worden vervangen nadat het door een klein deeltje was getroffen. Tijdens de vlucht van de Columbia in juni vorig jaar werden over het gehele voertuig minstens 21 inslagen geteld, waarvan een deel afkomstig van verf- en metaaldeeltjes, dus van ruimte-afval: volgens R. Bernhard van Lockheed een groter aantal dan verwacht.

Enigszins zorgwekkend is ook dat niet alle objecten groter dan 10 cm met radar te zien zijn. Onderzoekers van het Phillips Laboratory in de VS meldden dat zelfs objecten groter dan een meter aan het oog van de radar kunnen ontsnappen. Deze voorwerpen waren wel met een optische telescoop te zien, wat betekent dat optische en radar-eigenschappen sterk kunnen verschillen. Enkele onderzoekers presenteerden mede daarom plannen voor de bouw van speciale optische telescopen, met elektronische detectoren, voor het opsporen van objecten die buiten het bereik van radar vallen.

De sterke groei van het aantal objecten rond de aarde is voor het grootste deel te wijten aan onderdelen van raketten en satellieten die tijdens lanceringen ook in de ruimte komen èn aan explosies van rakettrappen. Tijdens een lancering komt meestal ook de bovenste raket-trap in een baan om de aarde. Al vele keren heeft men waargenomen dat zo'n raket later in honderden fragmenten uiteen spatte, vermoedelijk door het oplopen van de druk in tanks met overgebleven brandstof.

Ook een satelliet kan ontploffen, hetzij door een spontane inwendige oorzaak, hetzij door moedwil. In het verleden zijn er in het kader van Star Wars-experimenten doelbewust speciale satellieten vlak bij andere satellieten tot explosie gebracht. En pas geleden nog werd een Russische militaire satelliet, Kosmos 2225, tot ontploffing gebracht. De formele reden was dat men wilde verhinderen dat hij in dichtbevolkt gebied zou neerstorten, maar is dat de waarheid?

Overigens levert ook de vaste brandstof van een rakettrap die een satelliet in zijn baan brengt een bijdrage aan het afval in de ruimte. Uit experimenten bij NASA en ESA is gebleken dat deze brandstof niet volledig in gas overgaat, maar dat er ook vele honderden vaste deeltjes (aluminiumoxyde) vrijkomen. Inslagputjes van die deeltjes zijn gevonden op de panelen van de Long Duration Facility (LDEF), een NASA-satelliet die bijna zes jaar lang speciaal voor het opvangen van puindeeltjes en kosmisch stof in een baan op 460 km hoogte heeft gedraaid.

Kessler-syndroom

Ook over de onderlinge botsingen tussen puinfragmenten maakt men zich nu steeds meer zorgen. Zulke botsingen kunnen leiden tot het ontstaan van vele kleinere fragmenten, die op hun beurt de kans op verdere botsingen vergroten. Dit proces zou in het ergste geval kunnen leiden tot een zichzelf in stand houdende kettingreactie, waardoor er steeds meer ruimtepuin rond de aarde komt en ruimtevaart onmogelijk wordt gemaakt: het zogeheten Kessler-syndroom (genoemd naar een NASA-wetenschapper).

Verschillende onderzoekers hebben zulke botsingsscenario's met behulp van wiskundige modellen bestudeerd. Volgens sommigen is op hoogten tussen 1000 en 1500 km, waar het opruimend effect van de atmosfeer nihil is, al de situatie bereikt dat ook zonder nieuwe lanceringen het aantal puindeeltjes blijft toenemen. Volgens anderen is de situatie nog niet zo rampzalig, maar zou hij dat in de komende decennia wel kunnen worden wanneer er niet snel voorzorgsmaatregelen worden genomen.

Nu het ruimteschroot er eenmaal is, zullen ruimtevoertuigen en ruimtestations er tegen moeten worden beschermd. In verschillende (wapen)laboratoria, met name in de VS, Duitsland en Frankrijk, bestudeert men daarom inslagverschijnselen. Met gaskanonnen en explosie-versnellers worden metaaldeeltjes met snelheden tot meer dan 13 km per seconde op vaste doelen geschoten. Ultrasnelle camera's registreren de inslagverschijnselen en op grond van de resultaten probeert men dan optimale beschermingsconstructies te ontwikkelen.

Meerwandige structuren (bumpers) blijken de beste bescherming te bieden. De buitenste wand verpulvert het inslaande deeltje, zodat de tweede wand alleen wordt getroffen door veel kleinere, vloeibare of gasvormige deeltjes. Een groter deeltje wordt pas door een tweede, derde of vierde wand gestopt. Het toekomstige Amerikaanse ruimtestation Freedom wordt voorzien van een bescherming tegen deeltjes van 1 cm diameter. Er zou een kans van 20 procent zijn dat het in tien jaar door een groter deeltje wordt getroffen.

Schoonvegen

Tijdens de conferentie werden ook technieken gepresenteerd voor het schoonvegen van de ruimte. Onderzoekers van de Technische Universiteit van Braunschweig stellen voor om vanuit een ruimteschip met behulp van een lang koord (ruimte-tui) de baan van een stuk puin zodanig te veranderen, dat het in de dampkring terecht komt en verbrandt. Met de baanverandering die de ruimteveger zelf ondervindt zou men dan naar een volgend stuk ruimtepuin kunnen "hoppen'.

Volgens een ander voorstel zouden met een krachtige laser kleine puindeeltjes uit de ruimte kunnen worden geschoten. Hier komt nog even het onderzoek in het kader van het voorbije Star Wars-tijdperk om de hoek kijken. Bij voldoende energie zou een deeltje volledig verdampen. Grotere deeltjes zouden met de laser van baan kunnen worden veranderd, zodat ze in de dampkring belanden. De Duitse onderzoeker W.O. Schall, van het Instituut voor Technische Fysica in Stuttgart, denkt op deze manier in slechts vijf jaar het grootste deel van de ruimte tussen 500 en 2000 km hoogte te kunnen schoonvegen.

Twee Amerikaanse onderzoekers zouden met zo'n laser het toekomstige ruimtestation Freedom extra willen beschermen. Dit station zal door een passieve bumber beschermd zijn tegen deeltjes van 1 cm diameter en zal moeten uitwijken voor deeltjes die groter zijn dan 10 cm. Maar met de niet geregistreerde objecten daar tussenin weet men nog niet goed raad. Die zouden dus met een laser moeten worden verwijderd.

Toch meent vrijwel iedereen dat het schoonvegen van de ruimte zowel technisch als economisch onhaalbaar is. De nadruk moet worden gelegd op maatregelen die de verdere toename van het ruimtepuin voorkomen. De grotere objecten die in de ruimte worden achtergelaten, blijken de grootste boosdoeners te zijn, aangezien zij elk weer honderden nieuwe fragmenten kunnen opleveren.

De beste maatregel is het in de dampkring laten terugkeren van uitgewerkte satellieten en rakettrappen. Zulke maatregelen vereisen echter aanzienlijke veranderingen in het ontwerp en een vermindering van de nuttige lading van satelliet en raket. En dat laatste is met het oog op de bezuinigingen en concurrentie op de ruimtevaartmarkt geen aantrekkelijk vooruitzicht.

Blijft een rakettrap toch in een baan om de aarde, dan is het belangrijk dat de overgebleven brandstof wordt geloosd, zodat hij in ieder geval later niet kan exploderen. Bij de Europese Arianeraket heeft men deze techniek al tijdens enkele recente lanceringen toegepast. Vanaf de 60e vlucht, gepland voor oktober dit jaar, wordt hij standaard bij alle lanceringen. Ook bij het scheiden van satelliet en raket zal de ESA geen afvalprodukten meer creëren.

Satellieten in hoge, geostationaire banen zijn heel moeilijk terug in de dampkring te krijgen. Er wordt voor gepleit om zulke satellieten aan het einde van hun functionele bestaan in een "kerkhofbaan' te brengen die minstens 300 km hoger ligt. Dat is tot nu toe met zo'n 70 satellieten gedaan. Voor het uitvoeren van zo'n baanverandering is echter brandstof nodig en soms blijkt een satelliet zo lang te hebben gefunctioneerd dat hij zijn laatste druppel brandstof heeft opgesoupeerd.

Iedereen is het er over eens dat het ruimtepuin een mondiaal probleem is, dat alle landen aangaat die actief zijn op het gebied van de ruimtevaart. Een grotere bewustwording en een verbeterde samenwerking op internationaal niveau zou moeten helpen het ruimte-milieu te beschermen. Maar het probleem is dat het verschijnsel ruimteschroot in het bestaande ruimterecht niet op een expliciete manier wordt genoemd. In drie van de vijf bestaande ruimteverdragen wordt slechts in heel algemene bewoordingen over het voorkómen van vervuiling van de ruimte gesproken.

Het gevolg daarvan is dat alle maatregelen die tot nu toe zijn genomen voor het reduceren van de toename van de hoeveelheid ruimtepuin vrijwillige maatregelen zijn. En aangezien het probleem buiten vakkringen weinig aandacht heeft, omdat het zo ver verwijderd ligt van ons dagelijkse milieu, zijn er ook geen organisaties als Greenpeace die wat druk op de ketel zouden kunnen zetten.