Jeannette Heiligers: „Ruimtezeilen bij de aarde is veel moeilijker dan in de interplanetaire ruimte.”

Foto Merlijn Doomernik

Interview

Jeannette Heiligers wil een ruimte-vuilniswagen maken met een zonnezeil

Jeannette Heiligers | ruimtevaartingenieur Ruimtestation ISS moet soms uitwijken voor brokstukken. „Ruimtepuin is een groot probleem”, zegt Jeannette Heiligers.

Op 10 februari 2009 botsten twee Russische communicatiesatellieten, Iridium 33 en Kosmos 2251, op 790 kilometer hoogte op elkaar. De Iridium-satelliet functioneerde nog ten tijde van de botsing. De Kosmos-satelliet was jaren afgeschreven. De satellieten spatten uit elkaar in duizenden stukjes. Een deel daarvan draait nog steeds om de aarde.

Sindsdien is er alleen maar meer ruimteschroot bijgekomen. Rondom de aarde vind je oude satellieten, raketrestanten en afgebroken ruimtevaartuigfragmenten. Daar tussendoor manoeuvreren werkende satellieten die van belang zijn voor ons dagelijks leven.

„Ruimtepuin is een groot probleem. Daar is de hele ruimtevaartwereld het over eens”, zegt Jeannette Heiligers, universitair docent astrodynamics & space missions bij de TU Delft. „Er vliegen meer dan twintigduizend stukken ruimtepuin van tien centimeter of groter met hoge snelheid om de aarde en miljoenen kleinere stukjes. Zelfs een stukje van nog geen vierkante centimeter dat inslaat, kan een satelliet kapotmaken of astronauten in het internationale ruimtestation (ISS) in gevaar brengen.” Zo heeft het ISS vorig jaar meerdere manoeuvres moeten doen om stukken ruimtepuin te ontwijken.

Heiligers kreeg in juli een Vidi-beurs toegekend van NWO voor haar onderzoeksvoorstel Sweep (Space Waste Elimination around Earth by Photon propulsion), waarbij ze gaat kijken hoe je ruimtepuin kunt opruimen met een ruimte-vuilniswagen die het afval oppikt en naar de atmosfeer brengt. Eenmaal in de atmosfeer ondervindt het zoveel wrijving dat het materiaal opwarmt en opbrandt. De vuilniswagen doet dit op duurzame wijze, voortgestuwd door een zonnezeil.

Wat gebeurt er als we niets doen aan het ruimtepuinprobleem?

„De angst in de ruimtevaartwereld is dat hoe meer ruimtepuin er is, hoe meer botsingen er zullen plaatsvinden, waarbij nieuw ruimtepuin ontstaat. Deze kettingsreactie kan uiteindelijk leiden tot het zogeheten Kesslersyndroom. Dan hangt er zoveel ruimtepuin om de aarde dat bepaalde regionen niet meer toegankelijk zijn. Die banen kunnen we dan niet meer gebruiken voor satellieten.”

Eén satelliet lanceren om één stuk ruimtepuin op te ruimen is niet echt duurzaam

Zijn er manieren om het ruimtepuin in te perken?

„Er zijn richtlijnen voor beperking van ruimteafval opgesteld. Die vereisen dat als jij een satelliet de ruimte inbrengt je ook een methode hebt om deze op te ruimen. Bijvoorbeeld door het laatste beetje brandstof te gebruiken om de satelliet te verplaatsen naar een plek waar hij geen problemen kan opleveren. Satellieten die dicht bij de aarde hangen kun je laten opbranden in de atmosfeer. En bijvoorbeeld geostationaire satellieten, op 36.000 kilometer hoogte, kunnen in een iets hogere baan, de zogeheten kerkhofbaan, geparkeerd worden, waar de kans dat ze op een werkende satelliet botsen klein is.

„Verder zijn er plannen om het ruimtepuin actief te gaan verwijderen. De Europese ruimtevaartorganisatie ESA heeft de Clearspace-1-missie. Deze satelliet moet over een paar jaar naar een oud raketonderdeel vliegen en deze vastgrijpen. Vervolgens dalen ze samen af en branden op in de atmosfeer. Eén satelliet lanceren om één stuk ruimtepuin op te ruimen is alleen niet echt een duurzame of kostenefficiënte methode.”

Hoe kan dit duurzamer?

„Ik stel voor om de vuilniswagen-satelliet niet voort te stuwen met een brandstofmotor, maar met een zonnezeil. Een satelliet kan dan zeilend op zonlicht naar een stuk ruimtepuin bewegen, dat naar de atmosfeer brengen om op te branden, om vervolgens, voortgestuwd door het zonnezeil, naar het volgende stuk ruimtepuin te vliegen. Hierdoor zijn er minder vuilniswagen-satellieten en minder lanceringen nodig.”

Er wordt geschat dat het materiaal door zonlicht na enkele tientallen jaren kapot gaat

Hoe werkt een zonnezeil?

„Een zonnezeil is eigenlijk een grote spiegel, van slechts 0,0075 millimeter dik – dunner dan een mensenhaar. Het bestaat uit een laag plastic met aan de ene kant een spiegelende aluminiumcoating en aan de andere kant een chroomcoating, voor het afgeven van hitte.

„Als er fotonen, de lichtdeeltjes waaruit zonlicht bestaat, op het zeil vallen, dan oefenen die er een stralingsdruk op uit. En als die fotonen reflecteren, dan oefenen ze ook een kracht uit. Bij het reflecteren zetten de fotonen zich namelijk als het ware af tegen het zeil. Deze krachten die het zonlicht uitoefent, werken als wind op een zeil. Dit kan de satelliet gebruiken om te manoeuvreren in de ruimte. Het voordeel is dat er geen brandstof nodig is die op kan raken, zoals bij traditionele satellietvoortstuwing.

„Een zonnezeil gaat niet oneindig lang mee. Er wordt geschat dat het materiaal door zonlicht na enkele tientallen jaren kapot gaat. Maar zolang het zeil intact is en de zon schijnt kan een ruimte-vuilniswagen blijven voortbewegen en afval blijven opruimen.”

Is het lastig om een vuilniswagen met een zonnezeil te besturen?

„Dat is niet eenvoudig. Er is onderzoek gedaan voor missies die met een zonnezeil door de interplanetaire ruimte naar bijvoorbeeld Mars of de zon willen gaan vliegen. Dat is wel nog relatief eenvoudig omdat daar vooral de zwaartekracht van de zon en de kracht van het zonlicht een rol spelen. Als je met een zonnezeil om de aarde wilt manoeuvreren, dan heb je ook te maken met het zonlicht dat de aarde reflecteert. Verder speelt warmtestraling en de zwaartekracht van de aarde een rol, net als weerstand van de atmosfeer, die tot bijna duizend kilometer hoog reikt. En in de schaduw van de aarde heb je geen zonlicht. Het krachtenspel rondom de aarde is dus veel complexer dan in de interplanetaire ruimte. Dat maakt het aansturen van een vuilniswagen met een zonnezeil lastig.”

Het is de eerste stap naar een duurzame ruimte-vuilniswagen

Wat gaat u de komende jaren doen in het Sweep-onderzoek?

„Ik ga allereerst, met promovendi, een model ontwikkelen om het complexe krachtenspel op een zonnezeil om de aarde te beschrijven. Hiervoor gebruiken we gegevens van eerdere testmissies met zonnezeilen en, zo mogelijk, vluchtdata van de ACS3-zonnezeilmissie van NASA die binnenkort gelanceerd wordt.

„Als we dat model hebben, moeten we gaan bepalen hoe we het zeil zo effectief mogelijk kunnen gebruiken om bij een stuk ruimtepuin te komen, het naar de atmosfeer te brengen, het daar los te laten en naar het volgende puinstuk te gaan. Achterhalen in welke stand het zeil op welk moment moet staan om dit zo snel mogelijk te doen, is een complex optimalisatieprobleem.

„Ten slotte moeten we bepalen welke stukken ruimtepuin we gaan verwijderen, in welke volgorde. Dat is wat in de wiskunde bekendstaat als het handelsreizigersprobleem. Het kost veel computerrekenkracht om dat op te lossen omdat je miljoenen routecombinaties moet berekenen. Zo wil ik tonen wat er mogelijk is met een zonnezeil. Het is de eerste stap naar een duurzame ruimte-vuilniswagen.”

Lees ook: Het ruimtepuin rondom de aarde neemt toe. Wat moeten we daartegen doen?