Sinds de start van het ruimtetijdperk in 1957 zijn er duizenden satellieten gelanceerd. Veel daarvan zijn inmiddels kapot of afgedankt, en samen met rakettrapjes, brokstukken van botsingen en verloren gereedschap vormen ze een groeiend probleem: ruimteafval. Dit zwerfvuil in de ruimte wordt nauwlettend in de gaten gehouden door verschillende organisaties over de hele wereld. In dit artikel leggen we uit wie dat doet, hoe ze te werk gaan en waarom dit zo belangrijk is.
Wie houdt ruimteafval bij?
De Verenigde Staten beschikken over het grootste monitoringsysteem ter wereld: het Space Surveillance Network (SSN). Dit netwerk wordt beheerd door het US Space Command en bestaat uit meer dan dertig radar- en telescoopstations verspreid over de aardbol. Ze kunnen objecten volgen vanaf ongeveer 10 centimeter groot in lage banen rondom de aarde en objecten van ongeveer een meter in hoge banen zoals de geostationaire baan waar communicatiesatellieten draaien. Het SSN houdt een openbare catalogus bij met meer dan 25.000 ruimteobjecten. Dagelijks worden deze gegevens bijgewerkt en beschikbaar gesteld aan satellietoperatoren wereldwijd. Dit helpt voorkomen dat satellieten botsen met ruimteafval.
De Europese ruimtevaartorganisatie ESA coördineert de Europese inspanningen via het Space Debris Office in Darmstadt, Duitsland. Europese landen werken samen in het Space Surveillance and Tracking programma, waarbij elke deelnemer eigen radars en telescopen inbrengt. Duitsland heeft bijvoorbeeld de krachtige TIRA-radar, terwijl andere landen optische telescopen beheren. ESA speelt ook een belangrijke rol in het voorspellen hoe het ruimteafvalprobleem zich in de toekomst zal ontwikkelen. Ze hebben computermodellen ontwikkeld die berekenen hoeveel afval er over tientallen jaren zal zijn als we doorgaan zoals nu, of als we maatregelen nemen.
Rusland beheert het Russian Space Surveillance System met krachtige radarinstallaties zoals de Don-2N. Ze delen minder openlijk informatie dan westerse landen, maar houden hun eigen catalogus bij van ruimteobjecten. China heeft de afgelopen jaren flink geïnvesteerd in het volgen van ruimteafval. Ze hebben moderne radars gebouwd, zoals die in Xuyi, en beschikken over meerdere telescopen. Naarmate China meer satellieten lanceert, wordt hun monitoringsysteem steeds uitgebreider. Ook Japan, Frankrijk, Duitsland en het Verenigd Koninkrijk hebben eigen faciliteiten. Japan beheert bijvoorbeeld het Bisei Space Guard Center met telescopen die vooral naar hogere banen kijken. Deze nationale systemen dragen allemaal bij aan een completer beeld van wat er in de ruimte gebeurt.
Hoe wordt ruimteafval gedetecteerd?
Er worden twee hoofdtechnieken gebruikt om ruimteafval op te sporen, elk met eigen sterke punten: radars en telescopen. Radarsystemen werken door radiogolven uit te zenden die weerkaatsen op ruimteobjecten. Door de echo's op te vangen kunnen ze bepalen waar een object is, hoe snel het beweegt en bij benadering hoe groot het is. Radar werkt overdag en 's nachts en kan door wolken heen kijken. Grote radars zoals de AN/FPS-85 in Florida kunnen duizenden objecten per dag volgen. Ze zijn vooral effectief voor objecten in lage banen, tot pakweg 1.000 kilometer hoogte. Het nadeel is dat radar alleen objecten kan detecteren vanaf ongeveer 10 centimeter, terwijl kleinere brokjes ook schade kunnen aanrichten.
Telescopen detecteren zonlicht dat door ruimteobjecten wordt gereflecteerd. Ze werken het beste voor objecten in hoge banen die langzamer bewegen, waardoor langere belichtingstijden mogelijk zijn. Het nadeel is dat telescopen alleen kunnen werken wanneer het object door de zon wordt beschenen terwijl de telescoop zelf in het donker staat. Moderne telescopen gebruiken gevoelige digitale camera's die grote stukken hemel systematisch afscannen. Het Amerikaanse GEODSS-systeem (Ground-Based Electro-Optical Deep Space Surveillance) heeft bijvoorbeeld meerdere telescoopstations wereldwijd die vooral objecten in hoge banen volgen. Voor objecten met speciale reflectoren kunnen lasersystemen zoals het International Laser Ranging Service (ILRS) systeem extreem nauwkeurige metingen doen. Ze schieten laserpulsen naar een satelliet en meten hoelang het licht erover doet om terug te keren. Dit geeft positiebepalingen op centimeterniveau. Deze techniek wordt vooral gebruikt voor actieve satellieten, maar soms ook voor grote stukken ruimteafval. Recent worden ook satellieten met camera's gebruikt om ruimteafval te detecteren. Het voordeel is dat ze niet te maken hebben met wolken, daglicht of geografische beperkingen. Ze kunnen continu bepaalde gebieden in de gaten houden en zijn vooral nuttig voor het volgen van objecten in hoge banen.
Wat wordt er precies bijgehouden?
De tracking van ruimteafval levert verschillende soorten informatie op die allemaal belangrijk zijn voor de veiligheid van ruimtevaart. De basale informatie bestaat uit de baan van elk object: hoe hoog het vliegt, hoe rond of langwerpig de baan is, onder welke hoek ten opzichte van de evenaar, en hoe snel het beweegt. Deze informatie wordt vastgelegd in gestandaardiseerde bestanden die Two-Line Elements (TLE's) heten. Deze bestanden worden regelmatig bijgewerkt als er nieuwe waarnemingen zijn. Met deze baangegevens kunnen computerprogramma's voorspellen waar een object in de toekomst zal zijn. Dit is essentieel om te kunnen bepalen of twee objecten gevaarlijk dicht bij elkaar komen.
Elke dag voeren computers miljoenen berekeningen uit om te controleren of objecten te dicht bij elkaar komen. Als twee objecten binnen ongeveer één kilometer van elkaar voorspeld worden, gaat er een waarschuwing uit. Bij nog kleinere afstanden krijgt de satellietoperator gedetailleerde informatie over wanneer en waar de grootste nadering plaatsvindt. Deze waarschuwingen bevatten ook informatie over hoe zeker de voorspelling is. Soms zijn de banen niet zo nauwkeurig bekend, waardoor de onzekerheid groot is. In andere gevallen zijn de banen heel precies bekend en is de voorspelling betrouwbaar. Organisaties houden bij hoeveel objecten er in verschillende hoogten ronddrijven. Ze maken onderscheid tussen actieve satellieten, uitgeschakelde satellieten, rakettrapjes, brokstukken van botsingen en verloren voorwerpen. Door deze statistieken jarenlang bij te houden kunnen wetenschappers zien hoe het probleem groeit. Op dit moment zijn er meer dan 36.000 objecten van minstens 10 centimeter groot in een baan om de aarde. Naar schatting zijn er miljoenen kleinere stukjes die niet systematisch gevolgd kunnen worden, maar wel schade kunnen veroorzaken bij een botsing.
Wanneer een satelliet of rakettrap uit elkaar valt, proberen monitoringsystemen snel alle nieuwe brokstukken te detecteren en te catalogiseren. Dit is belangrijk om te begrijpen wat er gebeurd is en om andere satellieten te waarschuwen voor het nieuwe afval. De analyse van zo'n gebeurtenis geeft ook inzicht in hoe objecten uit elkaar vallen en helpt bij het verbeteren van computermodellen. In 2009 botsten bijvoorbeeld de Amerikaanse satelliet Iridium 33 en de Russische Kosmos 2251, wat resulteerde in meer dan 2.000 nieuwe, traceerbare brokstukken. Zo'n gebeurtenis houdt monitoringssystemen wekenlang bezig.
Objecten in lage banen worden geleidelijk afgeremd door de dunne atmosfeer en vallen uiteindelijk terug naar de aarde. Voor grote objecten worden voorspellingen gemaakt wanneer en waar ze waarschijnlijk neerkomen. Dit is lastig omdat de dichtheid van de atmosfeer varieert en omdat vaak niet precies bekend is hoe zwaar en groot een object is. Voor gecontroleerde terugval, waarbij een satellietoperator de satelliet bewust laat neerstorten, zijn de voorspellingen nauwkeuriger. Voor ongecontroleerde terugval kunnen de voorspellingen enkele uren voor de terugkeer nog onzekerheden hebben van duizenden kilometers.
Wat leert men over deze gegevens?
Naast het simpelweg volgen waar objecten zich bevinden, proberen wetenschappers ook meer te weten te komen over de eigenschappen van het ruimteafval. Door te meten hoe de helderheid van een object verandert terwijl het over de hemel beweegt, kunnen onderzoekers bepalen hoe snel het draait of tuimelt. Een satelliet die stabiel in de ruimte hangt zal een andere lichtcurve hebben dan een object dat ongecontroleerd tuimelt. Deze informatie helpt bij het identificeren van onbekende objecten en bij het begrijpen van hun stabiliteit. Door het weerkaatste zonlicht nauwkeurig te analyseren kunnen wetenschappers soms bepalen waaruit een object bestaat. Aluminium, multi-layer isolatie en zonnepanelen reflecteren elk het licht anders. Dit helpt bij het identificeren waar het object vandaan komt en maakt modellen nauwkeuriger. De sterkte van een radarsignaal dat terugkomt van een object (de radar cross-section) geeft informatie over de effectieve grootte. Door metingen vanuit verschillende hoeken te combineren kunnen onderzoekers de werkelijke afmetingen en vorm beter inschatten, hoewel dit voor kleine objecten lastig blijft.
Wordt er samengewerkt?
Omdat ruimteafval een wereldwijd probleem is dat geen grenzen kent, is internationale samenwerking essentieel. De Space Data Association is een samenwerkingsverband van satellietbedrijven en overheidsorganisaties. Ze delen onderling informatie over waar hun satellieten vliegen en waarschuwen elkaar voor mogelijke botsingen. Dit maakt het systeem robuuster dan wanneer iedereen alleen van overheidsinformatie afhankelijk zou zijn. De Inter-Agency Space Debris Coordination Committee (IADC) brengt dertien grote ruimtevaartorganisaties samen, waaronder NASA, ESA, JAXA, Roscosmos en CNSA. Ze ontwikkelen gezamenlijk richtlijnen om ruimteafval te verminderen en delen technische kennis over monitering en modellering. Via Space-Track.org deelt het Amerikaanse leger gratis baangegevens en botsingswaarschuwingen met geregistreerde gebruikers wereldwijd. Duizenden satellietoperatoren, wetenschappers en hobbyisten maken hier gebruik van. Deze openheid heeft de veiligheid van ruimtevaart aanzienlijk verbeterd. Binnen de Europese Unie werken lidstaten samen via het Space Surveillance and Tracking Support Framework. Dit programma brengt radars en telescopen uit verschillende landen samen in één geïntegreerd systeem dat waarschuwingen uitgeeft aan Europese satellietoperatoren. Het doel is gedeeltelijk onafhankelijk te worden van niet-Europese databronnen.
Ruimteafval wordt een steeds groter probleem
Ondanks alle technologie blijven er belangrijke uitdagingen bestaan in het monitoren van ruimteafval. De grootste beperking is dat objecten kleiner dan ongeveer 10 centimeter in lage banen simpelweg niet gezien kunnen worden met huidige systemen. Toch kan een brokstuk van slechts één centimeter al enorme schade aanrichten bij een botsing omdat de snelheden in de ruimte zo hoog zijn (tot 15 kilometer per seconde). Wetenschappers gebruiken daarom computermodellen om te schatten hoeveel kleine objecten er zijn. Ze baseren zich daarbij op de grotere objecten die wel gezien worden, op theorieën over hoe explosies en botsingen verlopen, en op analyse van inslagschade op teruggebrachte ruimtetuigen. Hoe verder je in de toekomst kijkt, hoe onzekerder voorspellingen worden. Dit komt vooral doordat de atmosfeer niet overal even dicht is. De zonneactiviteit, geomagnetische stormen en het verschil tussen dag en nacht zorgen allemaal voor variatie in de luchtweerstand die satellieten ondervinden. Voor ruimteafval is vaak niet bekend hoe zwaar het is en hoe groot het oppervlak is. Deze verhouding bepaalt hoe snel een object afgeremd wordt. Zonder deze informatie is het lastig nauwkeurig te voorspellen waar een object over enkele dagen zal zijn.
Een lastig dilemma is hoeveel waarschuwingen je wilt afgeven. Als je te voorzichtig bent, krijgen satellietoperatoren tientallen waarschuwingen per dag waarvan de meeste vals alarm blijken te zijn. Dit kost tijd en geld. Als je te streng bent en alleen waarschuwt bij zeer kleine afstanden, mis je misschien een échte bedreiging. De kunst is de juiste balans te vinden, waarbij rekening wordt gehouden met hoe nauwkeurig de baangegevens zijn en hoeveel risico acceptabel is. Wanneer plotseling honderden brokstukken ontstaan door een explosie of botsing, is het een hele klus om alle nieuwe objecten te identificeren en te catalogiseren. De brokstukken hebben in het begin vergelijkbare banen, wat het lastig maakt om waarnemingen aan specifieke objecten te koppelen. Het kan dagen of weken duren voordat alle nieuwe objecten betrouwbaar gevolgd worden.
Wat brengt de toekomst?
De komende jaren zullen belangrijke verbeteringen brengen in hoe we ruimteafval kunnen volgen. Er komen steeds meer satellieten die speciaal bedoeld zijn om ruimteafval te detecteren. Kleine satellieten met camera's of radars kunnen continu bepaalde gebieden monitoren zonder last te hebben van wolken, daglicht of geografische beperkingen. Dit zal vooral nuttig zijn voor het volgen van objecten in drukke orbitale gebieden. Kunstmatige intelligentie (AI) en machine learning worden ook steeds vaker ingezet voor het monitoren van satellieten en ruimtepuin. Computers kunnen objecten automatisch herkennen in sensordata, waarnemingen koppelen aan bekende objecten, manoeuvres van satellieten voorspellen en afwijkingen detecteren die kunnen wijzen op explosies. Dit bespaart tijd en maakt het systeem betrouwbaarder. Krachtigere computers en verbeterde modellen van de atmosfeer zullen op termijn ook leiden tot nauwkeurigere voorspellingen. Door meer satellietdata te gebruiken wordt de dichtheid van de atmosfeer beter in kaart gebracht, wat vooral belangrijk is voor objecten in lage banen. Er wordt ook gewerkt aan gestandaardiseerde manieren om informatie uit te wisselen. Als iedereen dezelfde dataformaten gebruikt, wordt samenwerking makkelijker. Dit geldt zowel voor overheden als voor commerciële bedrijven.
