19 oktober 2018

Het Kessler-syndroom

Het ‘Kessler-syndroom’ is het verschijnsel waarbij de dichtheid van voorwerpen in een lage aardebaan (LEO) hoog genoeg is dat botsingen tussen objecten een cascade kunnen veroorzaken waarbij elke botsing ruimteschroot produceert dat de kans op verdere botsingen vergroot. Ofschoon de term meestal in de schaduw staat van de meer algemene Engelse term ‘space debris’, heeft het fenomeen een lange ontstaansgeschiedenis.

Kessler-syndroom credits; Duda

Het herbergt tevens een doemscenario waar men al sinds jaar en dag in de ruimtevaart beducht voor is; het impliceert namelijk dat zo een kettingreactie van orbitale botsingen met  de verspreiding van puin in de aardebanen ertoe kan leiden dat ruimteactiviteiten en het gebruik van satellieten in specifieke omloopbanen gedurende vele generaties niet meer haalbaar zullen zijn. Zoals al eerder her en der besproken varieert ruimteschroot in afmeting, aard en materiaal. Raketonderdelen, brandstoftanks, zonnepanelen, tot zelfs flarden van ruimtevaartpakken en kleiner spul als schroeven en gereedschappen. Inslagen van puinresten die rond de 10 cm in omvang zijn staan gelijk aan schade toegebracht door een explosie veroorzaakt door 7 kg TNT is ooit door NASA wetenschappers berekend. Het “Kessler-syndroom” doet er nog een schepje bovenop. Het fenomeen houdt in dat willekeurige botsingen tussen objecten die groot genoeg zijn om te catalogiseren* dit een gevaar voor ruimtevaartuigen zouden opleveren van kleine brokstukken die groter zijn dan de natuurlijke meteoroïde omgeving. Omdat de willekeurige botsingsfrequentie niet-lineair is met de accumulatie van afval, zal het fenomeen uiteindelijk de belangrijkste bron van puin op de lange termijn worden, tenzij de accumulatiesnelheid van grotere, niet-operationele objecten (bijv. niet-operationele payloads en rakettrappen) in de baan van de aarde aanzienlijk wordt verminderd.

De NASA wetenschapper aan wie het verschijnsel zijn naam te danken heeft, Donald J. Kessler, beschrijft in zijn artikelen zowel de ontstaansgeschiedenis, alsook de achtergrond van dit fenomeen en de studie hiervan alsmede de organisaties die momenteel nauw betrokken zijn bij het traceren en registreren van ruimteafval. Hierbij noemt hij het NASA Orbital Debris Program Office, het IADS, het Interagency Space Debris Coordination Committe, alsook de SSN, US Space Surveillance Network (vanouds een NORAD, North American Aerospace Defense Command, afdeling) en zelf is hij er sinds de jaren zeventig actief mee bezig geweest, en heeft, destijds werkend bij het Johnson Space Center in Houston, een belangrijke bijdrage geleverd aan het benoemen en signaleren van dit probleem en mogelijke oplossingen hiervoor. Zijn eerste bijdrage hiervan dateert van datzelfde jaar; ‘Collision Frquency of Artificial Satellites; The Creation of a Debris Belt’ **, getiteld. Dit 10 pagina tellende wetenschappelijk artikel gepubliceerd in het Journal of Geophysical Research heeft Kessler samen geschreven met  Burton G. Cour-Palais en bevat modellen van de toenmalige situatie in 1978 toen er rond de 4000 satellieten in LEO rond cirkelden, hun dichtheid en distributie alsook voorspellingen over de komende decennia. Het voorspelde dat rond het jaar 2000 de populatie van gecategoriseerd puin in een baan rond de aarde zo dicht zou worden dat gecatalogiseerde objecten zouden uiteenvallen als gevolg van willekeurige botsingen met andere gecatalogiseerde objecten en een belangrijke bron van toekomstig puin worden. Deze bevinding was om drie redenen belangrijk: a. Destijds werd algemeen aangenomen dat er heel weinig objecten in een baan waren die te klein waren om te catalogiseren, hoewel er geen definitie was van de beperkende maat in de catalogus. Het artikel illustreerde dat zelfs als deze veronderstellingen correct waren, toekomstige botsingen tussen gecatalogiseerde objecten een grote hoeveelheid kleine brokstukfragmenten zouden produceren. Deze kleine puinpopulatie zou direct na de eerste botsing gevaarlijker zijn voor andere ruimtevaartuigen dan de natuurlijke meteoroïde omgeving; b. Elke botsing zou ook enkele honderden objecten produceren die groot genoeg zijn om te catalogiseren, waardoor de snelheid toeneemt dat toekomstige botsingsbreuken zouden optreden, resulterend in een exponentiële groei in de botsingsgraad en de puinpopulatie.; c.  De enige manier om deze exponentiële groei te voorkomen, was het aantal raketonderdelen en niet-operationele ruimtetuigen die na hun nuttige levensduur in de baan waren achtergebleven te verminderen.  De titel suggereert mede het doem-scenario van de creatie van een heuse, door ruimtepuin gecreëerde, asteroïdengordel die uiteindelijk de lancering van raketten en satellieten zal doen stagneren of teniet doen. Des te massiever een object, des te meer puin het kan creëren bij een inslag. Grote objecten vormen een veel hoger risico voor een waterval aan botsingen als er veel satellieten in dezelfde banen bevinden.

Mocht het ruimteafval tot het ontstaan van een heuse asteroïdengordel leiden dan zou dit op termijn een groot obstakel betekenen voor verder ruimtevaart exploratie. Inmiddels schat men de zeer kleine objecten aan puin op 170 miljoen en 650.000 stukjes tussen de 1 en 10 cm. Maar deze zijn lastig te traceren. Toch is dat momenteel het belangrijkste doel, aldus  Diana McKissock, van de USAF 18e Space Control Squadrom, die rapporteert aan het SSN. Ook Luchtmacht ingenieur aan de Advanced Space Operations School Jesse Gossner, alsook NASA consultant op dit gebied, voert aan dat momenteel het belangrijkste doel is een zo goed mogelijke registratie en het opsporen van zoveel mogelijke ‘rogue’of ongeleide objecten. Er is inmiddels ook een nieuwe wet van kracht die bepaalt dat satellieten in LEO na 25 jaar ge-deorbit moeten worden. Hoewel aldus Gossner de situatie nog niet echt alarmerend is, het filmscenario van Gravity, in 2013 waarin het Kessler-syndrome zich voordoet acht hij vooralsnog vrijwel uitgesloten, is het wel heel belangrijk het niet zover te laten komen. Een flink deel van het traceren van ruimteafval komt nog steeds voor rekening van de reeds hiervoor genoemde SSN, het Space Surveillance Network, deel uitmakend van de Amerikaanse luchtmacht. Deze organisatie gebruikt 30 verschillende systemen voor identificatie, traceren, en het verzamelen van relevante informatie over de objecten met name via radar observatie, stations die zich over de hele wereld bevinden. Naast de radarstations wordt er ook gewerkt met telescopen die zowel op de grond gesitueerd zijn als in de ruimte. Gossner wijst hierbij op het groeiend aandeel van de particuliere sector die, met in de ruimte geplaatste telescopen, diensten aanbiedt waar ook door de overheid veel gebruik van wordt gemaakt. Als voorbeeld voert hij het bedrijf Exoanalytica aan dat met 150 telescopen wereldwijd rapporteert aan het SSN. Van de in de ruimte geplaatste telescopen is weinig bekend daar ze puin traceren van militaire satellieten. De objecten komen in een grote catalogus terecht en supercomputers berekenen de kans op onderlinge botsingen.

De SSN deelt twee niveau’s van alarmfases in; ‘basic’ en ‘advanced’. Een basic alarm wordt uitgevaardigd ten minste drie dagen van te voren aan het publiek bij een 1 op 10.000 kans op botsingen en wordt meerdere keren per dag ge-update. Zo een ongeleid object moet in LEO op minder dan 1 km afstand van een ander object komen om in aanmerking te komen voor een basic alarm. Verder de ruimte in buiten de LEO baan wordt de afstand vergroot tot vijf kilometer tot een object. In 2017 werden er welgeteld 308,984 mogelijke botsingen geregistreerd waarvan er 655 aanleiding gaven tot een alarm, waarvan het grootste deel in een lage aardebaan. Als een ruimtevaartbedrijf een SSN-alert ontvangt wordt de satelliet naar een andere baan gestuurd. Voorlopig is het algemene doel de kostbare satellieten heel te houden door dit type systeem en de astronauten veiligheid te bieden. Daardoor is eigenlijk een gebeurtenis als het terugvallen van een heel ruimtestation, zoals afgelopen 2 april toen Tiangong-1 2500 km ten zuiden van Hawaï in zee stortte, eerder reden tot juichstemming dan tot bezorgdheid. Het volgend massief object dat naar de aarde zal storten is waarschijnlijk de 12,5 ton wegende Hubble telescoop, in 2021. Het zal geleid worden naar het zogeheten ‘spacecraft graveyard’, het meest afgelegen punt in de Stille Oceaan. Bronnen; Business Insider / Donald J. Kessler/ SSN / Wikipedia

* Deze catalogus stamt uit de tijd dat NORAD die oorspronkelijk alleen de objecten zelf in de ruimte bijhield. Door een toenmalig medewerker van NORAD, John Gabbard die later met Donald Kessler in contact kwam, en die met name getriggerd werd door dit ‘cascade’ verschijnsel kwam het fenomeen meer in de aandacht. In 1982 verscheen in Popular Science een artikel geschreven door de journalist Jim Shefter waarin het vervolgens ‘Kessler-syndrome’  werd genoemd.

** Donald J. Kessler and Burton G. Cour-Palais (1978). “Collision Frequency of Artificial Satellites: The Creation of a Debris Belt”. Journal of Geophysical Research. 83: 2637–2646. Bibcode:1978JGR….83.2637K. doi:10.1029/JA083iA06p02637

Reacties

  1. Kim heeft dus niet veel nodig om een kettingreactie te ontketenen en de hele moderne wereld in chaos te storten. De Chinezen gingen hem in 2007 al voor met de explosieve vernietiging van hun eigen weersatelliet.
    We are all doomed….
    Relevant filmpje van ESA http://www.youtube.com/watch?v=9cd0-4qOvb0&t=11s

  2. Wat als we naar Mars gaan, zoude we er ook een bende van maken?

  3. Angele van Oosterom zegt:

    Het ISS kampt met een klein lekje van 2 mm in de wand van het Russisch segment. Het gaatje, waarschijnlijk ontstaan door een stukje ruimtepuin, is gedicht met afplaktape, de druk was iets weggevallen maar de situatie is onder controle. Bron; Telegraaf / ANP
    https://www.msn.com/nl-nl/nieuws/buitenland/ruimtestation-iss-lekt-door-gaatje-in-wand/ar-BBMEdSX?li=BBoPMmi&ocid=SK216DHP

  4. Angele van Oosterom zegt:

    Waarschijnlijk is er een hele rol opgebruikt, 🙂 Mijn ervaring is dat het niet altijd goed hecht maar het zal wel van goede kwaliteit zijn…

Laat wat van je horen

*

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.