In het oog houden

Al meer dan veertig jaar worden allerlei soorten ruimtetuigen gelanceerd. Daardoor zijn in de loop der jaren tonnen nutteloos materiaal in een baan om de aarde gaan rondzweven. Deze grote hoeveelheid afval moet nu nauwgezet gevolgd worden. Het gevaar bestaat dat één van deze brokstukken een werkende satelliet of een bemand ruimteschip beschadigt.

Meer dan ooit is het belangrijk vanuit de aarde de onmiddellijke omgeving van het International Space Station (ISS) in de gaten te houden. Dat is zelfs dagelijks nodig. De specialisten van de NASA berekenen elke dag voor de komende uren en dagen de baan van het internationale ruimtestation. Deze gegevens worden daarna vergeleken met de banen van duizenden grote brokstukken, die zich in een lage baan om de aarde bevinden. Blijkt een van deze objecten een traject te volgen dat te dicht in de buurt van het ISS komt, dan worden preventieve maatregelen getroffen om een botsing te vermijden.

Ze letten niet alleen op de naaste omgeving van het ISS. De NASA voert dit zelfde soort berekeningen en handelingen uit bij alle bemande ruimtevluchten. Ze houdt ook de omgeving van enkele uiterst waardevolle satellieten in het oog zoals bijvoorbeeld de Hubble-ruimtetelescoop. De grote ruimtevaartagentschappen, verenigd in het Inter Agency Space Debris Coordination Committee (IADC), volgen niet alleen de rommel in de ruimte. Ze werken ook aan criteria die ervoor moeten zorgen dat het ruimteafval minder snel toeneemt. Het IADC bestudeert ook verschillende methoden om de naaste omgeving van onze planeet ‘op te kuisen’. Een aantal interessante projecten wordt momenteel uitgewerkt.

Risico op een botsing

De kans op een botsing in de ruimte is niet denkbeeldig. Maar is momenteel gelukkig ook niet erg groot. Een eenvoudige analyse van de huidige situatie toont dat aan. Op een hoogte van 400 kilometer (grosso modo de baan van de spaceshuttle) is de kans op een botsing met een stuk ruimteschroot van 10 centimeter of meer één op verschillende duizenden jaren. Op driemaal grotere hoogte is het risico groter. Uiteraard neemt het risico toe als men de kleinere brokstukken meerekent; er zijn immers veel meer ‘kleine’ en ‘microscopisch kleine’ brokstukken zodat de kans op een botsing groter wordt.

In alle maten en gewichten

Sinds de lancering van de eerste Spoetnik in 1957 brachten de diverse ruimtevaartnaties ongeveer 4000 kunstmanen en andere tuigen in de ruimte. Het zijn zowel satellieten in een of andere baan om de aarde als sondes die de aarde verlieten om de maan of de planeten te verkennen.

Bij elk van die lanceringen komen een aantal brokstukken vrij. Vaak gaat het om één of meerdere onderdelen van de lanceerraket, die in een baan om de aarde terechtkomen. Zo draaien de bovenste trappen van raketten rond onze planeet. Andere onderdelen dienen om de nuttige lading te beschermen. Het zijn onder meer de beschermhoezen van optische lenzen en gevoelige sensoren. Men kan nog een derde categorie van ruimteschroot onderscheiden: de nuttige lading zelf! Behalve militaire satellieten die in erg lage banen werkzaam zijn en die na enkele dagen of maanden vanzelf naar de aarde terugvallen blijven satellieten die op het eind van hun operationele leven nutteloos zijn geworden rond de aarde draaien.

Tenslotte is er nog een vierde bron van ruimteschroot als gevolg van de fragmentatie van satellieten. De belangrijkste bron van rommel in de ruimte is het uiteenspatten van kunstmanen en rakettrappen. In totaal werden al 153 gevallen van dergelijke fragmentatie geteld. Van deze 153 gevallen zijn er slechts drie die rechtstreeks het gevolg zijn van een botsing. Eerst en vooral is er het enige echte kosmische ‘ongeluk’. Dat is de botsing op 24 juli 1996 van de Franse militaire satelliet Cerise met een stuk van de bovenste trap van een Ariane-raket. Des raket was tien jaar eerder gelanceerd. Deze botsing gebeurde met een snelheid van 14 kilometer per seconde of 50.103 kilometer per uur. De botsing had de definitieve vernietiging van Cerise tot gevolg. Bij de andere gevallen betrof het explosies die het gevolg waren van brandstofresten in rakettrappen of van de ontploffing van batterijen.

Honderdduizend voorwerpen

Momenteel draaien ongeveer 8.500 voorwerpen groter dan tien centimeter rond de aarde. Als men objecten met een grootte tussen 10 centimeter en 1 centimeter meerekent, komt men aan een getal van ongeveer honderdduizend voorwerpen.

Naast verfschilfers als gevolg van micro-inslagen en de veroudering van bekleding door grote temperatuursverschillen moet men rekening houden met nog twee andere bronnen: enerzijds de deeltjes die door raketmotoren worden uitgestoten en anderzijds de koelvloeistof van Sovjetkernreactoren. Bij de raketmotoren zijn het deeltjes van aluminiumoxide die door op vaste brandstof werkende motoren worden uitgestoten. Bij de kernreactoren zijn het natrium- en kaliumdeeltjes. Dit is een vloeistof die de Sovjetunie indertijd gebruikte ter afkoeling van hun kernreactoren in een baan om de aarde.

Een botsing tegen 36000 kilometer per uur

In een lage baan om de aarde hebben objecten een snelheid van 7 tot 8 kilometer per seconde of tussen de 25.200 tot 28.000 kilometer per uur! Bij een botsing loopt de inslagsnelheid gemakkelijk op tot 10 kilometer per seconde of 36.000 kilometer per uur omdat het ‘aangereden’ object zelf ook in beweging is. Bij deze snelheden komt er enorm veel energie vrij. Het grootste tuig dreigt uiteen te spatten of doorboord te worden door het kleinste dat zelf letterlijk tijdens de botsing verdampt. Er zijn op aarde bijzondere kanonnen ontwikkeld om de gevolgen van deze hypersnelheden te bestuderen. Door middel van een kanon voor hypersnelheden wordt een aluminium kogel met een diameter van 12 millimeter naar een 15 centimeter breed blok van hetzelfde metaal afgeschoten met een snelheid van 6,8 kilometer per seconde. Het resultaat is verbluffend. De krater in het blok is enorm. De kogel van 12 millimeter is bij de inslag letterlijk verdampt. Dit experiment toont aan hoe moeilijk een ruimtetuig te beschermen is tegen stukken ruimteschroot die een diameter hebben van meer dan enkele millimeter. Vandaar dat de spaceshuttle achterstevoren vliegt. Door achterstevoren te vliegen richt de shuttle de motoren, die het best bestand zijn tegen een botsing, naar de eventuele brokstukken.

Duik naar de aarde

Wanneer een vrij groot brokstuk in een lage baan om de aarde in de hogere lagen van de atmosfeer komt, wordt het afgeremd. Zijn baan verandert baan en het brokstuk maakt het een duik naar de aarde. Naargelang de massa en de samenstelling verbrandt het grootste deel van de brokstukken in de atmosfeer en bereikt nooit de grond. Maar er zijn ook uitzonderingen! Onder de ‘beroemdste’ voorbeelden uit het verleden kan men de terugkeer naar de aarde vermelden van het Sovjet ruimtestation Saljoet 7. Ook de 130 ton zware MIR en het Amerikaanse station Skylab zijn bijzondere voorbeelden. Naar schatting kwam 20 ton Skylab-materiaal op de aarde terecht. Van Saljoet 7 werden stukken teruggevonden op enkele honderden kilometer van de Argentijnse hoofdstad Buenos Aires.

Een oneindig leven

Het grootste deel van de brokstukken is verdeeld over bepaalde zones op hoogten van ongeveer 800, 1000 en 1500 kilometer. Hoelang het ruimteschroot overleeft hangt voornamelijk af van de hoogte waarop het zich bevindt. Op enkele honderden kilometer van de aarde overleeft een brokstuk hooguit een aantal jaren. Op een hoogte van 800 kilometer duurt het verschillende tientallen jaren alvorens op de aarde terug te vallen. Op een hoogte van 1000 kilometer gaat het over eeuwen. Nog hoger spreken we over een oneindig leven.

Dit artikel is eerder verschenen in nummer 1 uit de jaargang 2002 van het blad Archimedes.