Race tegen de klok: puinruimen in de ruimte

Artist’s impression van het ruimtepuin in een lage baan om de aarde. beeld ESA
3

De ruimte slibt dicht met afval, van verfschilfers en verloren gereedschap tot afgedankte spaceshuttles en satellieten. Als er niet snel wordt ingegrepen, loopt de toekomst van de ruimtevaart gevaar, zeggen deskundigen.

Wie omhoogkijkt naar een strakblauwe lucht of, ’s nachts, een heldere sterrenhemel, kan zich bijna niet voorstellen dat het daarboven wemelt van door mensen veroorzaakte troep. Al sinds de eerste lancering ooit –de onbemande Russische Spoetnik I op 4 oktober 1957– laten ruimtevluchten hun sporen na. Sporen die nu als ruimteschroot doelloos door het heelal scheren, met ongekende snelheden. Zo verloren astronauten tijdens hun vele ruimtewandelingen gereedschap en schroeven.

Ook werden er rakettrappen, ruimteschilden en afgedankte satellieten in verschillende banen om de aarde achtergelaten. Daar vielen ze uit elkaar en veroorzaakten in de loop der jaren botsingen waardoor de hoeveelheid ruimtepuin, van grotere brokken tot minuscule schilfers, verveelvoudigde.

Het resultaat van zestig jaar ruimtevaart is een berg zwevend vuilnis bij elkaar, bestaande uit zo’n 130 miljoen afzonderlijke stukken en stukjes, met een gezamenlijk gewicht van honderden tonnen. Het merendeel, 128 miljoen, is tussen de 1 millimeter en de 1 centimeter groot, 900.000 stuks zijn tussen de 1 en de 10 centimeter en er vliegen 34.000 brokstukken rond die groter zijn dan 10 centimeter. Overigens staan maar 26.000 stukken ruimtepuin geregistreerd, met name de grotere brokken.

Het oudste, nog altijd rondvliegende ruimteafval betreft de Vanguard 1. De in 1958 door de Verenigde Staten gelanceerde kunstmaan hield er al in 1964 mee op. Het opmerkelijkste object is ongetwijfeld de tandenborstel die een astronaut op een onbewaakt moment kwijtraakte. Terwijl de kunstmaan waarschijnlijk over ruim twee eeuwen verbrandt in de dampkring, zal de tandenborstel zonder ingrijpen waarschijnlijk nog duizenden jaren baantjes rond de aarde draaien.

Afval op de grond levert niet meteen gevaar op. Het ligt waar het ligt. Dat geldt niet voor ruimtepuin. De snelheden waarmee brokstukken door het heelal vliegen zijn zo hoog – duizenden kilometers per uur – dat zelfs een botsing met de kleinste verfschilfer enorme schade kan aanrichten aan bestaande satellieten of bemande ruimtevaartuigen. Het kan zelfs levensgevaarlijke situaties opleveren voor astronauten.

Met hoeveel geweld zo’n inslag gepaard kan gaan, was op 10 februari 2009 waar te nemen. Toen botsten bijna 800 kilometer boven Siberië twee communicatiesatellieten met een snelheid van 42.000 kilometer per uur op elkaar. Eén van de twee satellieten was al veertien jaar niet meer in bedrijf. De botsing sloeg beide satellieten uit elkaar – waardoor duizenden nieuwe brokstukken ontstonden. In 2012 passeerde een van die brokken het internationale ruimtestation ISS op 120 meter afstand.

Opruimen

Al jaren denken ruimtevaartorganisaties na over manieren om de rommel die zestig jaar ruimtevaart heeft veroorzaakt, op te ruimen. En de tijd begint te dringen, zegt hoogleraar Jian Guo van het TU Delft Ruimtevaart Instituut. „Botsingen veroorzaken steeds meer ruimtepuin. Het moment dat de omloopbanen rond de aarde zo verstopt zijn geraakt dat er geen ruimtevaart meer mogelijk zal zijn, komt dichterbij.”

Guo wijst op het zogenaamde Kesslersyndroom, het door NASA-wetenschapper Donald Kessler in 1978 uitgewerkte scenario waarbij botsingen elkaar in een steeds hoger tempo zullen opvolgen, met steeds meer puin als gevolg. Guo: „Als we doorgaan zoals altijd, zal deze kettingreactie snel werkelijkheid worden. Op het moment dat het omslagpunt is bereikt, zal ruimtevaart volstrekt onmogelijk worden. Wij moeten alles op alles zetten om dat moment voor te zijn.”

Kesslers rekenmodel alarmeerde de ruimtevaartwereld ruim veertig jaar geleden en sindsdien zijn er verschillende methodes geïntroduceerd om de hoeveelheid ruimteafval te beperken. Zo kunnen sommige ruimtevaartuigen zo gebouwd worden dat ze na gebruik op weg terug naar de aarde in de dampkring verbranden.

Ook werd er een ruimtekerkhof geopend: een baan die hoog boven de door de satellieten en shuttles gebruikte omloopbanen ligt. Zodra een ruimtevaartuig op is en uitgerangeerd, wordt deze met speciaal daarvoor bedoelde voorzieningen naar het ‘kerkhof’ afgevoerd, waar het geen gevaar meer oplevert.

Aan beide methodes kleven nadelen en beperkingen. Bovendien is de hoeveelheid ruimtepuin er niet door afgenomen. De enige optie die overblijft en het verschil moet maken, is het wegvangen en afvoeren of veilig vernietigen van brokstukken. Daarvoor liggen er nu verschillende concepten.

De Europese ruimtevaartorganisatie ESA heeft recent de ClearSpace-1-missie opgericht. Het plan is om in 2025 een afgedankte satelliet met een andere, speciaal voor dat doel gebouwde, satelliet uit zijn baan te plukken en deze combi gecontroleerd in de atmosfeer te laten neerstorten. Daar zal die vervolgens volledig opbranden. Het vangen zal gebeuren met een grijparm, een harpoen of een net. Dan moeten beide satellieten worden versneld, om zo in een lagere baan te belanden. Makkelijker gezegd dan gedaan, want het proces moet grotendeels autonoom verlopen.

Het Rensselaer Polytechnisch Instituut in New York werkt net als de ESA aan een minisatelliet die ruimteafval moet gaan vangen. Zijn project heet OSCaR. In drie aan elkaar gekoppelde kubusjes van 10 centimeter in het vierkant zitten behalve een aandrijvingssysteem, een gps-, een communicatie- en een datasysteem drie kleine lopen –zoals in een geweer– waarmee een net rond het te vangen object wordt gegooid.

Het idee is dat er bij elke ruimtemissie een aantal OSCaRs meegaan die dan vanuit het ruimteschip worden gelost en op jacht gestuurd naar brokken ruimtepuin. Als de eerste missies slagen, kunnen er in de toekomst hele OSCaR-legers worden ingezet om een begin te maken met de grote ruimteschoonmaak.

Om het abstracte probleem van ruimtepuin concreet te maken, vergeleek ESA-directeur Jan Wörner tijdens de presentatie van het ClearSpace-1-programma de dreigende ramp in de ruimte met de wereldzeeën. „Stel je eens voor”, zei hij, „hoe gevaarlijk het zou zijn op de oceaan te varen als alle schepen die in de geschiedenis ten onder zijn gegaan, nog steeds zouden ronddobberen.”

ClearSpace-1 en OSCaR

ClearSpace-1 en OSCaR zijn, als de ontwikkeling vlot verloopt, de eerste ‘vuilniswagens’ van de ruimte ooit. Welke van de twee de eerste brokken uit de ruimte zal opruimen, dat zal de komende jaren uitwijzen. Maar één ding weten de deskundigen al zeker: het is niet genoeg. Er bestaat geen enkele methode die alle soorten ruimtepuin aankan. Daarvoor zijn de afmetingen te divers en de omstandigheden waarin ze zich bevinden –zoals de rondvliegsnelheden met tienduizenden kilometers per uur– te extreem.

Zandstralen op 2000 kilometer hoogte

Het meeste, kleine ruimtepuin bevindt zich tot 2000 kilometer hoogte (de afstand van Utrecht naar Zuid-Spanje). Een aanvaring met een wolk van dit ruimtegruis is te vergelijken met een extreem krachtig zandstralen. Vooral zonnepanelen en telescopen lopen het risico beschadigd te raken, omdat ze niet eenvoudig kunnen worden beschermd met inslagbestendige schilden.

Het Internationaal Ruimtestation ISS, dat zich op een hoogte tussen de 300 en 400 kilometer bevindt, heeft wel zo’n beschermend schild tegen klein ruimteafval. Toch is het regel dat bij een kans groter dan 1 op 10.000, de ISS voor de zekerheid uitwijkt. Ter vergelijking: de twee Russische satellieten die in 2009 op elkaar botsten, vlogen in een baan op zo’n 800 kilometer hoogte.

Handschoen en camera

Behalve een tandenborstel zweven er meer curieuze zaken door de ruimte. Zo verloor de astronaut Ed White op de eerste ruimtewandeling ooit, tijdens de Gemini 4-vlucht in 1965, een handschoen. De astronaut Michael Collins, die in 1969 deel uitmaakte van de historische Apollo 11-vlucht naar de maan, verloor bij een eerdere ruimtevlucht een camera. Ook lieten astronauten afvalzakken, een schroevendraaier en in 2008 zelfs een complete tas met gereedschap ontsnappen.

Het meeste ruimtepuin vergaat vanzelf, onder invloed van luchtweerstand, zwaartekracht, de maan en zonnewind en -straling. Daardoor verteren brokstukken automatisch en dalen ze af richting de dampkring. Het probleem is dat dat proces veel tijd in beslag neemt. En daarnaast geldt de regel: hoe hoger, hoe langer het duurt voor een brokstuk is vergaan. Dat kan vele duizenden jaren vergen.