Geen communicatie of navigatie, defecte elektronica en risico op botsingen. In het missiecontrolecentrum van ESA in Darmstadt werden teams geconfronteerd met een scenario dat zijn weerga niet kende: een zonnestorm van extreme omvang. Gelukkig speelde deze nachtmerrie zich niet in werkelijkheid af, maar maakte hij deel uit van de simulatiecampagne voor Sentinel-1D, waarmee de grenzen van ruimtevaartuigoperaties en paraatheid voor ruimteweer werden verlegd.
Voor elke ESA-lancering ondergaan de missieteams een rigoureuze simulatiefase waarin de eerste momenten van een satelliet in de ruimte worden geoefend, terwijl de missieleiding wordt voorbereid op eventuele anomalieën. Sinds half september zijn de teams van het European Space Operations Centre (ESOC) van ESA in Darmstadt, Duitsland, druk bezig met simulaties voor Sentinel-1D, waarvan de lancering gepland staat voor 4 november 2025. Om een van de meest extreme scenario's te modelleren, lieten de simulatieofficieren zich inspireren door de beruchte Carrington-gebeurtenis van 1859, de sterkste geomagnetische storm die ooit is geregistreerd. De oefening bootste de effecten van een catastrofale zonnestorm op de satellietoperaties na om het vermogen van het team om te reageren zonder satellietnavigatie en onder ernstige elektronische verstoring te testen. “Mocht een dergelijke gebeurtenis zich voordoen, dan zijn er geen goede oplossingen. Het doel zou zijn om de satelliet veilig te houden en de schade zoveel mogelijk te beperken”, zegt Thomas Ormston, adjunct-manager ruimtevaartuigoperaties voor Sentinel-1D. Deze campagne omvatte een zeldzame activering door het Space Weather Office van ESA van zijn Space Safety Centre, dat in 2022 werd ingehuldigd als onderdeel van ESA's groeiende inzet voor ruimteveiligheid. Het Space Debris Office van ESA en de managers van ruimtevaartuigoperaties van andere ESA-missies in een baan om de aarde sloten zich ook aan bij de oefening om het realisme te vergroten, waarbij de impact en coördinatie tussen missies werd gesimuleerd.
Getroffen door een rogue wave
Het is 22:20 uur en alles verloopt volgens plan. Na een succesvolle lancering en scheiding wacht de missieleiding op het signaal van de satelliet. Enkele minuten later bereikt een ruisende transmissie de missieleiding. Er is iets mis. Het ruimtevaartuig is, samen met andere ruimtevaartuigen in een baan om de aarde, getroffen door een zonnevlam. Deze elektromagnetische golf, die zich met de snelheid van het licht voortbeweegt, heeft onze planeet slechts acht minuten na het uitbreken van de zon bereikt. Het simulatieteam heeft een enorme zonnevlam van klasse X45 gemodelleerd, met intense röntgen- en ultraviolette straling die radarsystemen, communicatie en trackinggegevens verstoort. De navigatiefuncties van Galileo en GPS zijn nu offline, terwijl grondstations, vooral in poolgebieden, hun trackingcapaciteiten hebben verloren als gevolg van piekwaarden in de straling. Even later wordt de aarde getroffen door een tweede golf, ditmaal bestaande uit hoogenergetische deeltjes, waaronder protonen, elektronen en alfadeeltjes. Deze deeltjes, die tot bijna lichtsnelheid zijn versneld, hebben 10 tot 20 minuten nodig gehad om onze planeet te bereiken en beginnen de elektronica aan boord te verstoren met bitflips en mogelijke permanente storingen. “De zonnevlam verraste de teamleden. Maar toen ze weer bij zinnen waren gekomen, wisten ze dat het aftellen was begonnen. In de komende 10 tot 18 uur zou een coronale massa-uitbarsting plaatsvinden en daar moesten ze zich op voorbereiden”, zegt Gustavo Baldo Carvalho, hoofd simulatieofficier van Sentinel-1D.
De CME volgen
Vijftien uur na de zonnevlam begon de derde en meest destructieve fase: een enorme coronale massa-uitbarsting, heet plasma van geladen deeltjes, met een snelheid van wel 2000 km/s trof de aarde en veroorzaakte een catastrofale geomagnetische storm. Op de grond waren prachtige aurora's zichtbaar tot in het zuiden van Sicilië, terwijl de storm het elektriciteitsnet platlegde en schadelijke stroompieken veroorzaakte in lange metalen constructies zoals elektriciteitsleidingen en pijpleidingen. Ook in de ruimte hadden satellieten het moeilijk. De storm zorgde ervoor dat de atmosfeer van de aarde opzwol, waardoor de weerstand van satellieten in een lage baan om de aarde toenam en ze uit hun gebruikelijke baan werden geduwd. Missiecontroleurs kregen te maken met meerdere botsingswaarschuwingen met ruimtepuin en andere ruimtevaartuigen. “Als een dergelijke storm zich voordoet, kan de weerstand van satellieten met 400% toenemen, met lokale pieken in de atmosferische dichtheid. Dit heeft niet alleen gevolgen voor het risico op botsingen, maar verkort ook de levensduur van satellieten door het toegenomen brandstofverbruik om het verval van de baan te compenseren”, zegt Jorge Amaya, coördinator ruimteweermodellering bij ESA.
“Een gebeurtenis van een dergelijke omvang zou de kwaliteit van de conjunctiegegevens ernstig aantasten, waardoor botsingsvoorspellingen steeds moeilijker te interpreteren zouden worden omdat de waarschijnlijkheden snel veranderen. In deze context wordt besluitvorming een delicate evenwichtsoefening onder grote onzekerheden, waarbij een uitwijkmanoeuvre om het risico van een mogelijke botsing te verminderen het risico van een andere botsing licht zou kunnen vergroten”, legt Jan Siminski van het ESA Space Debris Office uit. Ook de stralingsniveaus stegen sterk, waardoor elektronica en materialen beschadigd raakten. Incidenten met eenmalige verstoringen kwamen nog vaker voor, waardoor systemen werden aangetast en de levensduur werd verkort. GNSS-signalen verslechterden verder, sterrenvolgers raakten blind en het opladen van batterijen maakte de chaos nog groter. “De enorme hoeveelheid energie die door de zon wordt uitgestoten, kan schade toebrengen aan al onze satellieten in een baan om de aarde. Satellieten in een lage baan om de aarde worden doorgaans beter beschermd tegen gevaren uit de ruimte door onze atmosfeer en ons magnetisch veld, maar een explosie van de omvang van het Carrington-evenement zou geen enkel ruimtevaartuig veilig laten”, zegt Jorge.
Training voor de ‘Big One’
“Deze oefening was een kans om een simulatietrainingcampagne uit te breiden en veel andere belanghebbenden binnen ESOC erbij te betrekken, waarbij alle soorten missies en operationele partijen aan bod kwamen. Door de oefening in een gecontroleerde omgeving uit te voeren, hebben we waardevolle inzichten gekregen in hoe we beter kunnen plannen, aanpakken en reageren wanneer zich een dergelijke gebeurtenis voordoet. De belangrijkste conclusie is dat het niet de vraag is óf dit zal gebeuren, maar wanneer”, aldus Gustavo. Het Space Safety Centre van ESA speelde een centrale rol in de oefening en is een belangrijke troef in de paraatheid van Europa voor extreme zonnestormen. De simulatie zal cruciale inzichten opleveren voor de oprichting van Europese operationele diensten voor ruimteweer, waardoor procedures kunnen worden verfijnd en de veerkracht kan worden verbeterd. “Het simuleren van de impact van een dergelijke gebeurtenis is vergelijkbaar met het voorspellen van de gevolgen van een pandemie: we zullen de werkelijke gevolgen voor onze samenleving pas na de gebeurtenis voelen, maar we moeten klaar zijn en plannen hebben om onmiddellijk te kunnen reageren. Deze oefening was de eerste gelegenheid om een dergelijke grote gebeurtenis aan te pakken en de reactie van het ESA Space Weather Office op te nemen in de gevestigde ESA-operaties”, zegt Jorge. “De omvang en verscheidenheid van de gevolgen brachten ons en onze systemen tot het uiterste, maar het team heeft de uitdaging met succes aangegaan en dat heeft ons geleerd dat als we dat aankunnen, we elke noodsituatie in het echte leven aankunnen”, concludeert Thomas.
Infrastructuur voor de toekomst
Naast het testen van de weerbaarheid tegen ruimteweer tijdens operaties, benadrukken simulaties zoals deze de dringende noodzaak om het Europese vermogen om ruimteweersgebeurtenissen te voorspellen te verbeteren. Het ruimteveiligheidsprogramma van ESA ontwikkelt het Distributed Space Weather Sensor System (D3S). Deze reeks ruimteweersatellieten en gehoste payloads zal verschillende ruimteweerparameters rond de aarde monitoren en een ongeëvenaarde bron van gegevens leveren, klaar om de Europese burgers en kritieke infrastructuur te beschermen. Verder van de aarde zal de Vigil-missie van ESA een revolutionaire aanpak pionieren door de ‘zijkant’ van de zon te observeren vanaf Lagrangepunt 5, waardoor continu inzicht in de zonneactiviteit wordt verkregen. Vigil, dat in 2031 zal worden gelanceerd, zal potentieel gevaarlijke zonne-evenementen detecteren voordat ze vanaf de aarde zichtbaar worden, waardoor we vooraf kennis krijgen van de specifieke kenmerken ervan en kostbare tijd winnen om ruimtevaartuigen en grondinfrastructuur te beschermen.
Bron: ESA
