Skip to main content

"Dit is niet grappig": BIRA- wetenschappers opinies over de naderende ruimtepuin-Maan botsing

2022-01-28

Af en toe komt er een dag dat je een nieuwstitel tegenkomt die je twee keer moet herlezen om zeker te zijn dat je niet iets verkeerd gelezen hebt. Een raket die tegen de maan botst? Weer een sciencefictionverhaal dat werkelijkheid wordt, maar het klinkt deze keer niet erg cool. Tenminste niet voor degenen die betrokken zijn bij wetenschappelijk ruimte-onderzoek en -activiteiten, of voor degenen die houden van de nachtelijke hemel en het zonnestelsel zoals dat was vóór het tijdperk van de "ruimtevervuiling". Didier Fussen en Johan De Keyser, twee van onze senior wetenschappers die betrokken zijn bij ruimte- en aardobservatiemissies van ESA, vertellen hoe het nieuws eruitziet vanuit hun ervaren perspectief.

Waar hebben we het over?

Bewerkt op 14 februari 2022: Aanvankelijk was het ruimtepuin geïdentificeerd als een booster van een SpaceX Falcon-9 raket van een missie gelanceerd richting Lagrangepunt L1 in 2015. Daarom gaat dit artikel in detail in op ruimtemissies richting de Langrangepunten L1 en L2, want dit blijft relevant in de ruimtepuinproblematiek. Het brokstuk blijkt verkeerd geïdentificeerd te zijn. Er zijn sterke aanwijzingen dat het in werkelijkheid gaat om een booster van de Chang'e 5-T1 maan fly-by missie, gelanceerd door de China National Space Administration in 2014. Het tijdstip van inslag met de maan blijft correct.

Lagrange points
Figuur 1: De vijf Lagrangepunten van het zon-aarde-systeem, met ook de banen
van de maan en van de James Webb-ruimtetelescoop afgebeeld. L1, L2 en L3 zijn
dynamisch gezien onstabiel, terwijl L4 en L5 stabiel zijn. Credit: NASA

Moest u het nieuwsbericht gemist hebben, hier volgt een korte samenvatting. In 2015 lanceerde SpaceX een weersatelliet aan boord van een Falcon 9-raket, richting Lagrangepunt L1 in het zon-aarde-systeem. Dit is een van de vijf punten waar de zwaartekrachten die door de zon en de aarde worden uitgeoefend elkaar in evenwicht houden, en een object zoals een ruimtesonde in een min of meer stabiele positie binnen het systeem kan blijven, met minimale aanpassingen. De onlangs gelanceerde James Webb-ruimtetelescoop, bijvoorbeeld, is in een baan om Lagrangepunt L2 gebracht (zie figuur 1). Het zenden van missies naar deze punten heeft naast stabiliteit nog verscheidene andere voordelen. Het maakt bijvoorbeeld een constante uitlijning ten opzichte van de aarde en de zon mogelijk, wat van groot belang is om in contact te blijven met de missie.

Dr. Didier Fussen:

Je moet weten dat L1, L2, L3 intrinsiek onstabiel zijn, alsof je een knikker op een zadel zou leggen. Met andere woorden, elke satelliet daar moet om het punt heen 'draaien' (het wordt een halo baan genoemd) met enige voortstuwing, tot als de brandstoftank leeg is. Zodra dit gebeurt, zal de satelliet (of het raketelement) op een zeer complexe (dynamisch chaotische) manier in de richting van het zon-aarde-maan-systeem drijven; de uiteindelijke baan is tot het einde toe onzeker.

De Lagrangepunten, zelfs de dichtstbijzijnde, liggen vrij ver van de aarde (L1 ligt op 1 500 000 km van de aarde), en er is veel energie nodig om ze daar te krijgen. Deze energie wordt geleverd door raketboosters, meestal in verschillende trappen die wegvallen zodra ze hun werk hebben gedaan. De nutteloze boosters blijven achter en kunnen ofwel terugkeren naar de aarde waar ze in de atmosfeer verbranden, of ze komen terecht op de chaotische koers die Dr. Fussen hierboven vermeldde.

Een van de boosters van SpaceX's Falcon 9 die in de richting van L1 is gelanceerd, bevindt zich al sinds 2015 op zo'n chaotische baan. Lange tijd was het onduidelijk waar het naartoe zou gaan, maar nu het einde van zijn koers nadert, kunnen wetenschappers het tijdstip en de locatie van de inslag met de maan nauwkeurig bepalen; namelijk op 4 maart rond 13:25 uur (Belgische tijd) aan de verborgen kant van de maan, met enige mate van onzekerheid vanwege de invloed van zonnestraling.

Dr Didier Fussen:

Dit is geen ongewoon lot voor een booster die naar Lagrangepunt L1 wordt gestuurd. De maan is altijd een mogelijke attractor voor dergelijke brokstukken. De snelheid bij impact (bijna 9300 km/u) is ongeveer de ontsnappingssnelheid van de maan, wat betekent dat het object van ver weg komt.

Aangezien het niet ongebruikelijk is dat een stuk ruimtepuin op ramkoers komt met de maan, hoe komt het dan dat we nog niet eerder van zo'n voorval hebben gehoord? Er worden eigenlijk maar weinig ruimtemissies naar Lagrangepunten gestuurd, omdat die zo ver weg liggen en het dus erg duur is om massieve lichamen naar zulke afstanden te vervoeren. De meeste satellieten worden gelanceerd in banen dichtbij en rond onze eigen planeet, waar puin - als de missie zorgvuldig is gepland - snel in onze atmosfeer kan opbranden en verdwijnen.

Wat betekent deze naderende botsing binnen de groeiende invloed van de mensheid in het zonnestelsel?

Nabij de aarde

Dr Johan De Keyser:

De meeste dingen die wij aardbewoners lanceren komen niet ver. Alle objecten in een lage of middelhoge baan om de aarde, een geosynchrone baan enz. zullen uiteindelijk weer op de aarde terugvallen (zij het misschien na een heel, heel lange tijd). Daarom is het probleem van het ruimtepuin het grootst in de buurt van onze planeet - denk aan de Starlink-constellatie met uiteindelijk duizenden satellieten, en aan andere constellaties die momenteel worden opgesteld. Zij verhogen het risico op botsingen, vooral voor het ISS of het Chinese ruimtestation, die zich in een niet al te hoge baan om de aarde bevinden. Dit is niet grappig.
Het is ook niet grappig voor (amateur-)astronomen op de grond. Als ik op een heldere nacht naar de hemel kijk, zie ik talloze satellieten passeren (meer dan vliegtuigen, en ik woon onder een aanvliegroute voor de internationale luchthaven van Brussel) en dat stoort me. Een paar decennia geleden was dat beslist niet zo.

Interplanetair puin

Dr Johan De Keyser:

Maar wat gebeurt er als we iets naar de maan of naar een interplanetair doel lanceren? Dit wordt gewoonlijk alleen gedaan voor wetenschappelijke en verkenningsmissies, niet zozeer voor commerciële missies.
Ten eerste hebben we het volledige vermogen van de lanceerraket of booster nodig om zelfs een kleine nuttige lading naar het doel te brengen. Als wetenschappers willen we natuurlijk altijd dat de lading groter is, omdat dat het wetenschappelijk rendement van de missie verbetert. Daarom wordt de ruimtesonde zo licht mogelijk gehouden en is het de laatste trap van de raket zelf - of eventueel een ‘kick stage’ als die er is - die het grootste deel van het laatste zetje moet geven om op de gewenste baan te komen.
Op dat moment is de laatste trap of de ‘kick stage’ gestrand in een baan die net niet de baan van de ruimtesonde is, maar voor veel interplanetaire missies is die baan nog steeds een interplanetaire baan. De meeste van deze objecten komen in een baan rond de zon terecht.

Dan zijn er de missies naar de zon-aarde Lagrangepunten L1 en L2. Deze liggen tussen interplanetaire missies en een baan om de aarde in: De L1- en L2-punten zijn het gevolg van de wisselwerking tussen de zwaartekracht van de zon en die van de aarde. De bovenste trappen die de lading naar L1 en L2 brengen kunnen daarom nog steeds naar de aarde terugkeren - of naar de maan (L1 en L2 zijn veel verder van de aarde verwijderd dan de maan is). Banen rond L1 en L2 hebben een beetje actieve ‘stationkeeping’ nodig. Buiten werking gestelde satellieten, eenmaal gestationeerd op L1 en L2, kunnen ook terugkomen, maar kunnen ook in een baan rond de zon terechtkomen.

Even terzijde, de beroemde (en wetenschappelijk niet erg bruikbare) Tesla Roadster die in 2018 door SpaceX werd gelanceerd, zwerft nog steeds rond. Er is een studie uitgevoerd om te proberen zijn baan doorheen ons zonnestelsel te bepalen. Daaruit bleek dat de Roadster regelmatig de baan van de aarde zal kruisen, zelfs in de buurt van de aarde. De inslagkans met de aarde (of de maan) is niet nihil en neemt toe met de tijd: 6% na 1 miljoen jaar, 11% na 3 miljoen jaar, en binnen de komende 15 miljoen jaar is er een kans van 22% op inslag met de aarde en een kans van 12% op inslag met Venus of met de zon (Rein et al., 2018). Toegevend dat een miljoen jaar een veel tijd is, blijft het de vraag of we objecten willen uitzenden zonder wetenschappelijke relevantie en met een risico op aantasting van het zonnestelsel, waarvan de mensheid slechts de kleinste fractie uitmaakt in diens ruimte en geschiedenis.

In conclusion

Space Debris
Figuur 2: Achtergrondfoto credit: NASA

  • Het puinprobleem is het meest uitgesproken in de ruimte nabij de aarde. Omdat er veel objecten naar deze bestemming worden gelanceerd, is het er nogal druk, en de levensduur in een baan om de aarde van deze objecten kan vrij lang zijn (tientallen jaren).
  • Bij interplanetaire missies zijn het niet de eigenlijke ruimtesondes, maar onderdelen van de lanceerraketten die een puinprobleem kunnen vormen in de ruimte nabij de aarde. De ruimtevaartuigen zelf komen vaak terecht in een baan rond de zon (waar het niet erg druk is); botsingen met een ander planetair object worden om redenen van planeetbescherming vermeden, maar worden soms voor wetenschappelijke doeleinden uitgevoerd (hoewel landingen wetenschappelijk gezien natuurlijk meer de moeite waard zijn).
  • Voor de tussencategorie van missies naar L1 en L2 kunnen zowel de onderdelen van de draagraket als de eigenlijke satellieten een probleem vormen in de ruimte nabij de aarde.

Dr. Johan De Keyser:

Een botsing met de maan is volgens mij geen kwestie van ruimtepuin, maar een kwestie van planeetbescherming: willen we dat al dit spul op de maan terechtkomt? Willen we ons afval op het oppervlak van de maan verstrooien? Aangezien er bijna geen verwering van het maanoppervlak plaatsvindt, blijven de sporen daarvan duizenden jaren aanwezig!

Referenties

Rein, H., Tamayo, D., Vokrouhlický, D.: The Random Walk of Cars and Their Collision Probabilities with Planets. Aerospace 5(2), 57 (2018). https://doi.org/10.3390/aerospace5020057

News image 1
News image legend 1
Foto credit: Gael Cessateur, BIRA-wetenschapper en amateur astrofotograaf.