Puinruimen middels satellietsystemen

Origineel gepubliceerd op de site van Agentschap NL.

De mensheid maakt meer en meer gebruik van satellietsystemen. Deze toename maakt de veiligheid van deze systemen steeds belangrijker. Een veelbesproken thema is ruimteafval dat satellieten kan beschadigen of zelfs uitschakelen. Ook Japan zoekt naar oplossingen voor dit probleem. Het Japanse ruimtevaartagentschap Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) hoopt in 2020 te kunnen beginnen met ‘puinruimen’, maar zet daarnaast ook stappen om minder puin te creëren.

Inleiding

Eind maart startte het Netherlands Space Office (NSO) in samenwerking met het Ministerie van ELenI het Satellietdataportaal (*1). Daar krijgen Nederlandse bedrijven, instituten en eindgebruikers gratis toegang tot ruwe satellietdata over ons land. Nederland anticipeert daarmee op de Sentinels satellieten, een serie aardobservatiesatellieten die in het kader van het Europese Global Monitoring for Environment and Security (GMES)-programma vanaf 2013 gelanceerd zullen worden. Door de centrale inkoop van satellietdata tot aan de operationele fase van Sentinels in 2015 wil NSO het Nederlandse bedrijfsleven en onderzoeksinstituten uit eigen land een voorsprong geven in gebieden zoals precisielandbouw, bodembewegingen, algenmonitoring, waterbeheer en bosmonitoring.

Ook andere landen zijn bezig met het beter benutten van satellietsystemen voor aardobservatie of plaatsbepaling. Zo gaan er ieder jaar nieuwe satellieten de ruimte in. Vooral in de lage banen rond de aarde wordt het daardoor steeds drukker. Tussen werkende satellieten beweegt ookafval in de vorm van ‘dode’ satellieten of brokstukken van raketten. Ruimteafval is een groeiend probleem, ook voor de veiligheid van satellieten.

Zo moest kortgeleden een evacuatie plaatsvinden van de bemanning van het internationale ruimtestation (ISS). Doordat een stuk ruimteafval te laat werd ontdekt, waren er te weinig gegevens beschikbaar om een uitwijkmanoeuvre te kunnen maken. Uit voorzorg trok de bemanning naar de ontsnappingscapsule Sojoez om onmiddellijk terug te kunnen keren naar de aarde als er iets zou gebeuren. Gelukkig scheerde het ruimteafval deze keer op vijftien kilometer afstand langs het schip – overigens minder dan de berekende 23 kilometer.

Steeds groter probleem

Afval is dus niet alleen op aarde een probleem. Langzamerhand begint de ruimte, die zo ‘ruim’ leek te zijn vol te lopen met oude, onbestuurbare of geëxplodeerde satellieten, onderdelen van raketten en andere kleine brokstukken. Zelfs de kleinste verfdeeltjes of verloren schroefjes draaien in allerlei banen met een snelheid van 27.000 km per uur rond de aarde. Een klap van zo’n stukje kan grote schade opleveren aan werkende satellieten. Om deze veilig te stellen, wordt het ruimtepuin wereldwijd vanaf de grond geobserveerd met radar- en optische systemen. Meer dan 16.000 stukken groter dan tien centimeter zijn al ontdekt en worden op de voet gevolgd. De Amerikanen spelen hierin een centrale rol. Ze delen gegevens via de website Space Track. Naar schatting zijn er hiernaast meer dan honderd miljoen onopgespoorde stukjes die kleiner zijn dan tien centimeter.

“Dat aantal zal alleen maar toenemen, zelfs als we nu zouden stoppen met het lanceren van nieuwe satellieten”, aldus de directeur van Innovative Technology Research Center (ITRC, *2), een onderzoeksinstituut van JAXA. Simulaties van de grootste ruimtevaartinstituten zoals NASA geven aan dat vooral in de drukke banen, zoals die van zevenhonderd tot duizend kilometer en die van vijftienhonderd kilometer steeds meer en steeds kleinere stukken afval voorkomen. Door onderlinge botsingen van afvalbrokken houdt dit mechanisme zichzelf in stand en komen er steeds meer brokken bij. Het opruimen van oud ruimtepuin is de laatste tijd dan ook een wereldwijd aandachtspunt.

De inschatting hoeveel stukken ruimteafval er opgeruimd moeten worden om dit mechanisme te kunnen stoppen verschilt per land. NASA berekent dat vijf cruciale stukken per jaar genoeg zal zijn. De rekensom van Japan is iets anders. Het onderzoeksresultaat van JAXA in samenwerking met Kyushu Universiteit (*3) geeft aan dat er per jaar honderd tot honderdvijftig stukken opgeruimd moet worden. JAXA geeft de prioriteit aan de grote brokken, zoals het bovendeel van een meertrapsraket. Vergeleken met een satelliet, die meestal zonnepaneelarmen of antennes aan boord heeft, is de boventrap van een raket eenvoudig van vorm. Een realistische en efficiënte oplossing zou zijn om eerst deze oude raketten op te ruimen, maar ook dit is makkelijker gezegd dan gedaan.

Puinruimen

Japan is bekend om zijn geavanceerde rendez-vous technologie (*4). Dat bleek uit de succesvolle missie H-II Transfer Vehicle (HTV) ‘Kounotori2’ die vorig jaar levensmiddelen naar het ISS bracht. Met deze rendez-vous technologie kan het ruimtevaartuig tot op tien meter afstand van het ISS komen door het gebruik van hightech beeldverwerking en draadloze sensoren. “Maar een ongecontroleerde satelliet of een oude raket benaderen is een heel ander verhaal: ruimtepuin geeft geen signalen meer”, aldus chief scientist Satomi Kawamoto. “Ruimteafval zweeft rond. Zelfs het benaderen ervan is erg lastig.” Hiernaast zullen de automatische besturingstechnologieën van MUSES-C ‘Hayabusa’ een grote rol gaan spelen om deze lastige klus te klaren.

Na een succesvolle benadering zal eerst de afstand en beweging van het ruimteafval geobserveerd moeten worden. Dit kan met bestaande optische beeldverwerkingtechnologie die veelal al in de industrie wordt toegepast. Een complicatie is dat het ruimteklimaat, waar de zon van één kant sterk schijnt, het zicht belemmert. Met een speciale optische simulator zijn onderzoekers van ITRC hard bezig met het ontwerpen van een stabiele beeldverwerkingtechnologie.

Als eenmaal de afstand, vorm en beweging van het afval waargenomen zijn, moet vervolgens de voortstuwing aangehaakt worden. ITRC gaat hiervoor een elektrodynamische kabel gebruiken die in samenwerking met Nitto Seimo Co. (*5), een Japanse visnetproducent, ontworpen is. Het idee hier is om de Lorentzkracht te benutten. Door gebruik van stroomdraad en de aardmagnetische kracht zou het afval zijn snelheid moeten verliezen. Of er daadwerkelijk Lorentzkracht zal ontstaan in de ruimte is nog de vraag. In 2013 zullen de eerste resultaten gepubliceerd worden. Een microsatelliet van Kagawa Universiteit, de ‘Stars-II’ (*6), heeft de elektrodynamische kabel van ITRC aan boord. Hiernaast zijn er plannen om gebruik te maken van het volgende HTV ‘Kounotori3’. Deze zal een kabel aan boord krijgen om op de terugweg de verlengingsmethode uit te proberen.

Hoe de kabel vast te leggen aan een oude raket is nog een punt van discussie. Er zijn twee manieren voor bedacht. Het eerste idee is om met een robotarm de kabel aan te haken aan de holte waaraan oorspronkelijk een satelliet gekoppeld was. De holte is ongeveer één meter groot. De tweede, meer realistische manier is om een soort harpoen te gebruiken. De zijwand van een raket is meestal dun en licht, zodat er bij het aanhaken waarschijnlijk geen nieuwe brokstukken ontstaan. Ook kan een robotsatelliet via deze methode het werk uitvoeren op een veiliger afstand van tien tot twintig meter.

Naast het gebruik van elektrodynamische kabel staan ook andere modellen in de startblokken. Onderzoekers zijn bezig met een vangnet-model dat gebruikt kan worden om grote stukken afval te verzamelen of een ion-beam model (*7) om afval in hoge banen, zoals de drukke 36.000 km baan, weg te stoten naar een ander deel van de ruimte. Eén van de interessantste zou de piepschuimbal-methode kunnen zijn. Een grote piepschuimbal wordt in de ruimte losgelaten. Kleine stukjes ruimteafval komen hier op één of andere manier in terecht. De bal zou na een tijd terugkeren naar de aarde om met de puin en al te verbranden in de dampkring.

Minder puin creëren

Parallel aan deze opruimacties zijn er ook verschillende projecten in gang gezet om minder ruimtepuin te creëren. Bij het lanceren van satellieten wordt onderdeel na onderdeel losgekoppeld en weggegooid. De vluchtroute van een raket is daarvoor zo berekend, dat al het gecreëerde puin binnen de dampkring netjes in zee zal vallen. Het probleem zit in de bovenste trap van een raket. Die heeft tot op het laatst dezelfde snelheid en hoogte nodig als de satelliet. Na loskoppeling blijft de raket als ruimteafval in de baan hangen en zal onder invloed van de luchtweerstand langzaam ongestuurd naar de aarde terugkeren. Om onnodige explosies of botsingen te voorkomen heeft het Committee on the Peaceful Uses of Outer Space (COPUOS) in december 2007 richtlijnen vastgesteld. Hierin staat bijvoorbeeld dat alle brandstof geloosd moet worden bij het loskoppelen van de raket of dat er snelbrandende materiaal gebruikt moet worden bij het ontwerp van raketten en satellieten. In de lage banen moeten nieuwe raketten en satellieten binnen 25 jaar naar de aarde terugkeren en in hoge banen moeten ze driehonderd kilometer verderop gedumpt worden. Ondanks deze richtlijnen blijft er nog steeds veel puin in de ruimte over.

Om minder ruimtepuin te creëren moet ook de boventrap van een raket terugkeren naar de aarde, zo dacht een groep jonge onderzoekers van de HTV ‘Kounotori’ missie. Het projectteam van Shigeru Mori ging van start. Zo keerde vorig jaar de tweede trap van de H-IIB raket gecontroleerd terug naar de aarde. Bijna alle onderdelen verbrandden in de dampkring en het resterend kleinschalig afval viel op een geplande plaats in zee. Verminderen van snelheid, het ruimtevaartuig laten draaien en dan op een goed moment en in de goede richting aandrijven bleken de benodigde stappen. In vijf minuten leidde de demonstratie tot succes. Om precies te zijn: zestig seconden om gas te geven en het ruimtevaartuig in de andere richting aan te drijven, dertig seconden om een commando te geven, zestig seconden om een veilige route te bepalen. Dit betekende dat er maar tachtig seconden overbleef om de radioverbinding te herstellen met een ruimtevaartuig dat voor anderhalf uur wegvalt van het scherm. Er was geen tweede kans, want de batterij was uitgelegd op één rondje om de aarde. Met gebruik van de stationaire motor op LE-5B vloog het vaartuig stabiel door aan de andere kant van de aarde. De radioverbinding tussen het vaartuig en de antenne op Tanegashima herstelde probleemloos en de driehonderd seconden verliepen vlekkeloos. Het team gaat door met onderzoek en hoopt tijdens de derde HTV ‘Kounotori3’ missie vervolgstappen te kunnen demonstreren.

Toekomst

De komende jaren zal de mens steeds meer gaan profiteren van intelligente satellietsystemen zoals aardobservatie- en plaatsbepalingssatellieten. De toename in ICT-mogelijkheden zoals Cloud Computing dragen hier ook aan bij. Het gaat niet alleen meer over navigatiesystemen of mobiele applicaties. Het gaat ook om grootschalige maatschappelijke systemen met nuttige toepassingen zoals waterbeheer en rampenbeheersing of intelligente toepassingen in de landbouw. Deze hightechsystemen verrijken het leven, maar laten we daarbij ook aan milieuvriendelijkheid in de ruimte denken.

*1) NSO, Satellietdataportaal: www.satellietdataportaal.nl

*2) JAXA/ITRC: http://www.ard.jaxa.jp/eng/research/innovativetrc/itrc-index.html

*3) JAXA-Kyushu University co-research on ADR: http://airex.tksc.jaxa.jp/pl/dr/AA0064542032/en

*4) Mitsubishi Electric rendez-vous technologie voor HTV (alleen Japans):　http://www.mitsubishielectric.co.jp/corporate/randd/list/info_tel/b150/index.html

*5) Nitto Seimo Co., Ltd.: http://english.nittoseimo.co.jp/13/9/

*6) Kagawa University STARS-II project: http://stars1.eng.kagawa-u.ac.jp/english/top.html

*7) JAXA Ion Beam Reorbiter: http://goo.gl/uyEOS

Bronnen