Het Kessler-syndroom

Het Kessler-syndroom is een theoretisch scenario waarin de baan om de aarde overbevolkt raakt met objecten en brokstukken, waardoor satellieten in bepaalde delen van de baan om de aarde niet meer gebruikt kunnen worden. In dit scenario wordt ruimtevervuiling in stand gehouden door botsingen tussen objecten in een baan om de aarde, waardoor meer puin ontstaat en dus een domino-effect van toekomstige botsingen. Deze theorie werd in 1978 naar voren gebracht door NASA wetenschapper Donald J. Kessler in een artikel getiteld "Collision Frequency of Artificial Satellites: The Creation of a Debris Belt."

De theorie heeft de laatste jaren aan aandacht gewonnen door de groeiende belangstelling voor ruimtevaart onder invloedrijke organisaties. Verschillende grote bedrijven, waaronder Amazon, SpaceX, OneWeb en Apple, zijn naar verluidt van plan om in het komende decennium tienduizenden kunstmatige satellieten in een baan om de aarde te brengen. Dit kan een scenario katalyseren zoals beschreven in de theorie van Kessler.

Kessler gaf aan dat het deel van de baan van de aarde dat het meeste risico loopt, de lage omloopbaan (LEO) is, maar dat ruimtevaart en satellieten in de middelhoge omloopbaan (MEO) nog steeds mogelijk zouden zijn. Sommigen vrezen echter dat een scenario met het Kessler-syndroom de toegang tot de ruimte volledig onmogelijk zou maken, waardoor mensen en menselijke infrastructuur voor meerdere generaties aan de aarde gebonden zouden blijven.

Hoe het Kessler-syndroom werkt

Het Kessler-syndroom past methoden toe die worden gebruikt bij de bestudering van asteroïdengordels om botsingspatronen te voorspellen voor actieve satellieten in een baan om de aarde.

De directe oorzaak van een Kessler-syndroomscenario is niet het bestaan van door de mens gemaakte objecten zelf, maar de botsingen tussen die objecten, die exponentieel grotere hoeveelheden brokstukken kunnen voortbrengen. In 2009 bijvoorbeeld genereerde een botsing tussen Amerikaanse en Russische communicatiesatellieten meer dan 2.000 stukken ruimtepuin. Als er meer satellieten zijn, zal de botsingsfrequentie waarschijnlijk toenemen.

Aardbaan, ruimteafval

Adobestock

Aardbaan raakt vervuild

Naast toevallige botsingen, draagt ook de opzettelijke vernietiging van ruimtevaartuigen als gevolg van militaire acties bij aan de hoeveelheid brokstukken, evenals natuurlijke gebeurtenissen zoals zonnevlammen, waardoor satellieten slecht kunnen functioneren en botsen.

Elk nieuw stuk ruimteafval wordt ook een gevaar voor botsingen, zelfs als het puin veel kleiner is dan de oorspronkelijke objecten. Ter vergelijking: een verfvlek van een centimeter die snel genoeg beweegt, kan evenveel schade aanrichten als een voorwerp van 550 pond dat met een snelheid van 60 km per uur op aarde beweegt, aldus de NASA. Objecten in een lage baan om de aarde - ongeveer 1200 mijl hoog - botsen met een gemiddelde snelheid van ongeveer 22.000 mijl per uur.

Hoe groot is de kans dat dit gevolgen heeft voor het leven op aarde?

Naast de mogelijk enorme gevolgen voor het milieu, zou dit scenario kunnen leiden tot een ernstige remming van de ruimtevaartprogramma's op aarde.

Het ergste scenario in deze theorie is een kettingreactie van botsingen tussen door de mens vervaardigde objecten en de micrometeoroïden die zich al in een baan om de aarde bevinden.

Een iets minder ernstig scenario - maar waarschijnlijker - is het onklaar raken van de meeste ruimtevaartuigen in een lage baan om de aarde, wat grote gevolgen zou hebben voor het leven op aarde. Deze satellieten worden het meest getroffen door het Kessler-syndroom.

De meeste door de mens gemaakte objecten in een baan om de aarde zijn LEO-satellieten. Veel moderne diensten zijn afhankelijk van LEO-satellieten om te kunnen functioneren. Daartoe behoren wereldwijde plaatsbepalingssystemen (GPS) en televisie, maar ook diensten die worden gebruikt voor militair en wetenschappelijk onderzoek. Het internationale ruimtestation (ISS) en de Hubble-ruimtetelescoop bevinden zich ook in een zeer lage baan om de aarde. Mensenlevens zouden in gevaar komen als het ISS in botsing zou komen met ruimteafval.

NASA-deskundigen waarschuwen dat de lage baan om de aarde al een kritieke massa heeft bereikt, wat betekent dat de toevoeging van meer objecten op dit punt een onomkeerbare keten van botsingen zou kunnen beginnen.

Wie lanceert satellieten?

Ondanks de mogelijkheid van een Kesslersyndroom-scenario blijven bedrijven en overheden over de hele wereld ruimtelanceringen plannen en uitvoeren die kunnen bijdragen aan het totale aantal brokstukken.

Onlangs heeft SpaceX van Elon Musk toestemming gevraagd om 42.000 satellieten de ruimte in te lanceren. De Amerikaanse regering heeft 12.000 daarvan goedgekeurd. Andere grote techbedrijven volgen, waaronder Apple en Amazon, hoewel SpaceX tot nu toe de grootste aanvraag heeft.

Deze grote vloten satellieten worden megaconstellaties genoemd, en ze worden steeds populairder omdat satellieten steeds goedkoper te bouwen zijn. Veel bedrijven lanceren megaconstellaties als voorbereiding op de overgang naar 5G.

In mei 2019 werden 60 SpaceX Starlink-satellieten gelanceerd. Een botste bijna met de Aeolus aardobservatiesatelliet van de Europese ruimtevaartorganisatie, waardoor ze gedwongen werden om de satelliet op 2 sept. van hetzelfde jaar te verplaatsen.

India's Mission Shakti -- een test van een antisatellietraket gelanceerd op 27 maart 2019 -- creëerde ook duizenden stukken puin.

Kan het Kessler-syndroom worden voorkomen of verminderd?

Er is momenteel geen protocol voor het verwijderen van verouderde satellieten en brokstukken uit de baan om de aarde.

Maar door nauwlettend toezicht en slimmere satellietontwerpen kunnen botsingen misschien worden beperkt. Het Space Surveillance Network is een organisatie die tot taak heeft de toestand van objecten in een baan om de aarde in de gaten te houden.

Terwijl de NASA en de Amerikaanse regering ongeveer 23.000 door de mens gemaakte objecten ter grootte van een softbal en groter volgen, zijn er ook talloze objecten in een baan om de aarde die te klein zijn om te volgen; deze objecten kunnen ook vernietiging veroorzaken.

Verschillende zonnetelescopen -- waaronder de NSF's Inouye Solar Telescope en NASA's SOHO -- spelen een belangrijke rol bij het monitoren van potentieel destructieve zonnevlammen en ander ruimteweer, waardoor satellieten defect kunnen raken en kunnen neerstorten.

Naast monitoring en observatie kunnen ook andere maatregelen worden genomen om botsingen met satellieten tot een minimum te beperken. Een daarvan is het gebruik van een Whipple-schild, dat is een dunne afdekking over de hoofdwand van een ruimtevaartuig bedoeld om de botsenergie te verdelen over het hele vaartuig, waardoor de concentratie van de klap wordt verminderd. Deze schilden zijn alleen effectief tegen objecten met een breedte van 1 centimeter of kleiner, wat niet verwaarloosbaar is, maar niet in de buurt komt van een allesomvattende verdediging.

Voor objecten die te groot zijn voor Whipple schilden, maar te klein om vanaf de grond te volgen, stellen wetenschappers een infrarood camera aan boord voor, gekoppeld aan snelwerkende stuwraketten. De camera zou inkomende brokstukken kunnen detecteren en stuwraketten activeren om de brokstukken te ontwijken, allemaal zonder input van de grond. Sommige van deze stuwraketten zouden een speciale gel als stuwstof gebruiken, waardoor het aantal keren dat een satelliet ze zou kunnen gebruiken om brokstukken te ontwijken, toeneemt.

Een ruimtevaartbedrijf overweegt ook een systeem met de naam RUSTLER (Round Up Space Trash for Low Earth orbit Remediation), dat een middelgroot voertuig zou zijn dat is ontworpen om brokstukken te verzamelen en op te ruimen. Het vaartuig zou pulsen naar ruimteafval sturen via elektrodynamische touwen. De puls staat in wisselwerking met het zwaartekrachtsveld van de aarde, waardoor een luchtweerstandseffect ontstaat dat het puin in de atmosfeer van de aarde brengt, waar het idealiter tijdens de afdaling zou verbranden.