Je leest:

Bescherming tegen meteorieten en ruimtepuin

Bescherming tegen meteorieten en ruimtepuin

Auteur: | 30 januari 1999

Dat we onze planeet in een rap tempo vervuilen, zal niemand willen ontkennen. Naast ozonlaag-slopende CFK’s, broeikaseffect versterkende uitlaatgassen en nucleair afval is milieuvervuiling ook doorgedrongen tot de ruimte. Een aantal specifieke ruimtevaartuigen moet zich beschermen tegen inslagen van ruimtepuin.

Nederlandse Vereniging voor Ruimtevaart

De mogelijke resultaten van een inslag van space debris. Dit soort inslagen kunnen een gevaar vormen voor elke ruimtevaartmissie. Met name binnen de bemande ruimtevaart is men hard op zoek naar afdoende bescherming. Naar Elfer en Kovacevic, 1985.

De creatie van een vuilnisbelt

In den beginne was er…. puin, natuurlijk ruimtepuin om precies te zijn. Dit natuurlijke ruimtepuin kennen we beter als meteorieten. Meteorieten stammen in hoofdzaak af van kometen. Deze stelling werd voor het eerst geponeerd door Kirkwood in 1861. De eerste bewijzen daarvoor werden aangedragen door Schiaparelli, bekend van de ontdekking van de “canali” op Mars, die bewees dat de Perseïden (een meteorietenzwerm) in dezelfde baan bewogen als komeet 1862III.

Daarnaast genereren botsingen, tussen meteorieten en astroïden of tussen astroïden onderling, ook nieuwe meteorieten. Een deel van de meteorieten die rondjes draaien om de Aarde, in plaats van om de Zon, zou afkomstig kunnen zijn van de (mogelijke) vorming van de Maan uit de Aarde.

Tenslotte is er nog zoiets als interstellair stof, een overblijfsel van de vorming van het heelal, dat, omdat het om zulke kleine deeltjes gaat, meestal niet als meteoriet beschouwd wordt. In 1957 werd een nieuwe categorie puin geïntroduceerd: door de mens gemaakt ruimtepuin, ook wel aangeduid met “space debris” of “orbital debris”.

Nederlandse Vereniging voor Ruimtevaart

De gemiddelde flux debris naar massa en jaar. bron: D.J. Kessler.

Het was namelijk niet de Sputnik-1, maar de opgebrande laatste rakettrap die door het Amerikaanse NORAD, de voorloper van het huidige USSpaceCom, de codering 1957 Alpha-1 kreeg, en dus beschouwd dient te worden als het eerste voorwerp dat de mensheid in een baan om de Aarde bracht. In de jaren die volgden, werden vele satellieten gelanceerd. Met deze satellieten werden ook allerlei andere voorwerpen in een baan om de Aarde gebracht, variërend van complete rakettrappen tot de handschoen die astronaut Ed White verloor tijdens de eerste Amerikaanse ruimtewandeling in juni 1965. Deze voorwerpen vormen samen een ruimte-vuilnisbelt. Daarnaast kan elke satelliet, die is opgehouden met functioneren, ook beschouwd worden als ruimtepuin. Botsingen en explosies zorgen voor de fragmentatie van het puin tot kleinere deeltjes die er langer over doen om in de dampkring terug te keren. Al met al zijn we nu in een situatie beland waarin slechts zo’n 5% van de door de mens gelanceerde massa die om de Aarde cirkelt, toegeschreven kan worden aan functionerende satellieten!

Het gevaar van inslag

Wie na het lezen van bovenstaande nu beelden van zandstormen of orkanen heeft bij het denken aan de ruimte, kan ik geruststellen: de kans op een botsing in de ruimte is nog steeds erg klein. In omloopbanen op geringe hoogte (Low Earth Orbit, LEO) is deze kleine kans het grootst is. Voor deze baan is de gemiddelde kans dat een bol, met een diameter van 1 meter, eenmaal per jaar geraakt wordt door een stuk ruimtepuin met een massa van 1 gram of meer, ongeveer gelijk aan 1 op 25000. De kans dat deze bol geraakt wordt door een meteoriet met een massa van 1 gram of meer, is zo’n 100 keer kleiner. Het is duidelijk dat de kans op een botsing van een satelliet met een stuk ruimtepuin relatief erg klein is, maar naarmate de satelliet groter wordt en langer in een baan om de Aarde dient te blijven, neemt ook de kans op inslag toe. Voor een cilindervormige satelliet met een hoogte van 10 meter en een diameter van 2,5 meter, ontworpen voor een verblijf in de ruimte van 4 jaar, is bovengenoemde kans op een inslag van ruimtepuin al 1 op 200. Nu is het feit dat er een kans is dat een meteoriet of een stuk ruimtepuin inslaat in een satelliet nog geen directe reden tot ongerustheid. Het feit dat een aantal van deze inslagen tot gevaarlijke situaties kan leiden is dat wel. De inslag in een wand van een bemande module die een kratertje veroorzaakt kan niet levensbedreigend genoemd worden. Veroorzaakt de inslag echter een gat in die wand, dan ontstaat een probleem. Niet de kans op een inslag, maar de kans op een inslag die een gevaarlijke situatie veroorzaakt is dus belangrijk. In de ruimtevaart wordt in dit verband gesproken van de “probability of no failure”: de kans op een inslag die geen gevaarlijke situatie veroorzaakt. Voor de bemande modules van het Space Station Alpha moet deze factor groter zijn dan 0,9995 voor de eerste 10 jaar. De combinatie van de situatie in LEO met een groot ruimtestation, een langdurig verblijf in de ruimte en een hoge veiligheidseis, heeft ervoor gezorgd dat Space Station Alpha (het internationale ruimtestation ISS – redactie Kennislink) een speciale bescherming tegen inslagen nodig heeft om de veiligheidseisen te halen.

Nederlandse Vereniging voor Ruimtevaart

Schets van een “Whipple Shield”. Deze bescherming werd reeds in 1947 voorgesteld door de Amerikaanse astronoom Fred. L. Whipple. bron: H.M. Rehorts.

De gevolgen van een inslag

Voor we naar de bescherming tegen inslagen van meteorieten en ruimtepuin kijken is het goed eerst even stil te staan bij de theorie achter deze inslagen. Het grote verschil tussen de inslag van een meteoriet of een stuk ruimtepuin en bijvoorbeeld een kogel uit een geweer, is de snelheid. Waar kogels snelheden tot 1 km/s kunnen hebben, ligt de gemiddelde inslagsnelheid voor meteorieten op 20 km/s en voor ruimtepuin op 10 km/s. Als een kogel inslaat in een stalen plaat, wordt zijn bewegingsenergie omgezet in vervormingen van de kogel en de plaat. Zo wordt hij tot stoppen gebracht. Als een meteoriet of een stuk ruimtepuin zou inslaan in dezelfde plaat, gebeurt er iets anders. Door de hoge snelheid bij de inslag ontstaan in de plaat en het projectiel schokgolven, die er uiteindelijk in resulteren dat de temperatuur van de plaat en het projectiel stijgt. De bewegingsenergie van het projectiel wordt nu dus omgezet in warmte. Deze stijging van de temperatuur kan zover gaan dat er zelfs materiaal begint te smelten of te verdampen!

Nederlandse Vereniging voor Ruimtevaart

Het Whipple Shield van Giotto. bron: ESA Bulletin.

Een tweede fenomeen dat kan optreden bij deze hogesnelheidsinslagen (“hypervelocity impacts”) heeft ook te maken met het ontstaan van schokgolven. Als een schokgolf, die ontstaat door de inslag van een projectiel in de voorkant van een plaat, de achterkant van die plaat bereikt, kan hij een deel van het materiaal van die plaat als het ware uit de plaat drukken. Dit verschijnsel wordt in het Engels aangeduid met “spallation”. De snelheid waarmee de “spall” de plaat verlaat ligt tussen de 10 en 50% van de inslagsnelheid van het projectiel. Bij een inslag in de wand van een ruimtestation door een stuk ruimtepuin met een snelheid van 10 km/s, zouden er van de binnenkant van de wand stukken, met een snelheid van 1 tot 5 km/s, kunnen afspringen, zonder dat er een gat in de wand zou hoeven te ontstaan. Alhoewel er geen gevaar is voor decompressie, is de bovenstaande situatie zeker levensbedreigend.

Bescherming tegen een inslag

Hoe nu een ruimtevaartuig te beschermen tegen inslagen die gevaarlijke situaties veroorzaken? Het dikker maken van de wanden van het ruimtevaartuig is een mogelijkheid. Als de wanden voldoende dik zijn kan penetratie en perforatie voorkomen worden en zijn de schokgolven voldoende afgezwakt om ervoor te zorgen dat spallation niet optreedt. Echter, om te zorgen dat een stuk ruimtepuin van aluminium, met een diameter van 1 cm en een inslagsnelheid van 10 km/s, geen spallation veroorzaakt bij inslag in een aluminium wand, is een dikte van zo’n 10 cm nodig!

Nederlandse Vereniging voor Ruimtevaart

Het resultaat van een inslagtest op een Double Bumber Shield in een testopstelling. Perforatie trad op bij 3.6 km/s. International Journal on Impact Engineering.

Dit kan niet de oplossing voor het probleem zijn. De oplossing voor het probleem was vreemd genoeg al bekend vóór het ruimtevaarttijdperk begon. In 1947 publiceerde de Amerikaanse astronoom Fred L. Whipple, werkzaam aan het Harvard College Observatory in Cambridge,Massachusetts, een artikel genaamd “Meteorites and space travel” in het Astronomical Journal. Whipple, die zich als astronoom had gespecialiseerd in meteorieten, stelde: "Wanneer een meteoriet inslaat in een plaat, met een dikte die te vergelijken is met de diameter van de meteoriet, is het resultaat een explosie waarbij zowel de meteoriet als het plaatmateriaal rond het punt van inslag verdampt en ioniseert bij erg hoge temperaturen. Vandaar dat een “meteorieten bumper”, bestaand uit een millimeter dikke, metalen plaat, op enige afstand voor het ruimtevaartuig geplaatst, de penetratie- energie zou dissiperen."

Nederlandse Vereniging voor Ruimtevaart

De Hypervelocity Impact Test Facility van het NASA Johnson Space Center in de Verenigde Staten. De test faciliteit wordt gebruikt voor onderzoek en analyse van beschermingsschilden tegen meteoriet- en debris-inslagen. bron: NASA, JSC.

Onderzoek in het kader van de programma’s Mercury, Gemini en Apollo door met name Maiden, Gehring en McMillan van Boeing, wierp meer licht op wat inmiddels bekend stond als het Whipple Shield.Bij de inslag van een meteoriet of een stuk ruimtepuin in een Whipple bumper ontstaan de eerder beschreven schokgolven. Afhankelijk van de inslagsnelheid en de verhouding tussen de diameter van het projectiel en de dikte van de bumper, fragmenteren het projectiel en het bumpermateriaal rond het inslagpunt. Hoe hoger de inslagsnelheid, hoe beter de fragmentatie. Bij inslagsnelheden rond de 7 km/s begint smelting op te treden. Bij nog hogere inslagsnelheden kan verdamping ontstaan. Achter de bumper ontstaat nu een expanderende wolk materiaal, deels bestaand uit projectiel-materiaal, deels uit bumpermateriaal. De snelheid van deze wolk is praktisch gelijk aan de originele snelheid van het projectiel. Als deze wolk de achter de bumper liggende wand raakt, wordt de inslagenergie over een oppervlakte verdeeld, dat veel groter is dan het contactvlak tussen het projectiel en de bumper. Doordat het oppervlakte groter is, is de “inslagdruk” lager, waardoor er geen schokgolven in de wand ontstaan. De wand neemt de bewegingsenergie van de wolk op door blijvend te vervormen: er ontstaat een deuk.

Nederlandse Vereniging voor Ruimtevaart

Een voorbeeld van hoge-snelheid fotografie. Deze serie foto’s laat een inslag zien van een aluminium, bolvormig projectiel (diameter 0.34 cm) in een aluminium bumper met een dikte van 0.55 mm. De impact snelheid is 6.1 km/s. bron: NASA, JSC.

Geavanceerde beschermingsschilden

Het Whipple Shield heeft in de afgelopen decennia vele ruimtevaartuigen beschermd tegen het gevaar van inslagen van voornamelijk meteorieten. De Mercury-, Gemini- en Apollo-capsules waren uitgerust met Whipple Shields, evenals ruimtestations zoals Mir en Skylab en de onbemande Giotto. Gedurende de tachtiger jaren begon het ruimtepuin echter de overhand te krijgen in LEO. De lagere inslagsnelheden van ruimtepuin (tot 16 km/ s) kunnen er voor zorgen dat het Whipple Shield niet naar behoren werkt. Slaat een stuk ruimtepuin in met een te lage snelheid (lager dan ongeveer 7 km/s), dan treedt er slechts een gebrekkige of soms geen enkele fragmentatie op. Wel slaat het projectiel een stuk uit de bumper. Op deze manier kan een situatie ontstaan die juist meer schade aanricht. Tevens dient er voor optimale werking van het Whipple Shield een bepaalde verhouding te zijn tussen de diameter van het projectiel en de dikte van de bumper. Daar ruimtepuin in alle soorten en maten voorkomt, zullen niet alle verhoudingen tussen bumperdikte en projectieldiameter optimaal zijn, wat ook weer tot een slechtere fragmentatie leidt. Al met al de hoogste tijd om eens te kijken of het Whipple Shield verbeterd kan worden. In het kader van Space Station Freedom, tegenwoordig Space Station Alpha, is daar veel onderzoek naar verricht. In de Verenigde Staten wordt het onderzoek geleid door het NASA Johnson Space Center in Houston, in Europa valt deze eer toe aan ESTEC in samenwerking met het Ernst-Mach-Institut in Duitsland. Voor Columbus, de Europese module, heeft dit onderzoek geleid tot het Double Bumper Shield, een Whipple Shield met een extra bumper. Deze extra bumper geeft de mogelijkheid tot verdere fragmentatie van deeltjes in de wolk achter de eerste bumper. Tevens wordt door toepassing van kunstofvezel in die tweede bumper (Kevlar), de wolk afgeremd. NASA ontwikkelde een gelijksoortig schild, het Stuffed Whipple Shield, waarbij de tweede bumper bestaat uit een combinatie van een aluminiumgaas en verschillende lagen kunstofvezel (Nextel, Kevlar). Een andere Amerikaans schild is het Multi Shock Shield, bestaand uit meerdere, zeer dunne bumpers van aluminium of kunstvezel (Nextel). De bumpers van dit schild delen één voor één een schok uit aan het inslaande projectiel, hetgeen de fragmentatie verbetert. Tevens voegen de dunne bumpers minder materiaal toe aan de wolk die uiteindelijk de wand raakt. Tenslotte bestaan er ideeën om grote “matrassen” voor het Space Station te plaatsen, maar deze ideeën zijn niet veel verder dan de tekentafel. Het idee om gebruikte rakettrappen voor het Space Station te plaatsen heeft men laten varen, omdat er bij een inslag in zo’n rakettrap veel nieuw ruimtepuin gegenereerd zou worden, en het probleem op lange termijn dus alleen maar groter zou worden.

Nederlandse Vereniging voor Ruimtevaart

Het installeren van de debris-schilden van de propulsie modules van de SSA. bron: NASA, JSC.

Conclusie

De verbeteringen van het concept van het Whipple Shield hebben er toe geleid dat we ons nu ook op een doeltreffende manier tegen ruimtepuin kunnen verweren. Toepassing van geavanceerde schilden zoals het Double Bumper Shield, het Stuffed Whipple Shield en het Multi Shock Shield, zorgen ervoor dat de veiligheid van astronauten en kosmonauten aan boord van het Space Station Alpha voldoende gegarandeerd kan worden. Objecten tot zo’n 3-5 cm diameter kunnen worden “opgevangen”, voor grotere objecten zullen uitwijkingsmanoeuvres gemaakt moeten worden, net zoals nu met Mir en de Space Shuttle gebeurt. Belangrijker nog dan het zoeken naar verbeterde beschermingsmethoden is het besef dat moet groeien onder een ieder die met ruimtevaart van doen heeft, dat de generatie van nieuw ruimtepuin met alle middelen moet worden voorkomen. De situatie in met name LEO is gelukkig nog niet zo dramatisch dat elke satelliet met schilden moet worden uitgerust, maar als de hoeveelheid ruimtepuin blijft groeien in het huidige tempo (5% toename per jaar) zou de ruimtevaart wel eens kunnen omkomen in haar eigen vuil.

Dit artikel is een publicatie van Nederlandse Vereniging voor Ruimtevaart.
© Nederlandse Vereniging voor Ruimtevaart, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 30 januari 1999

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.