Wetenschappers gebruiken Starlink als scanner voor de bovenatmosfeer

Duizenden Starlink-satellieten van SpaceX blijken onbedoeld goed te zijn in iets waar ze nooit voor gebouwd zijn: het in kaart brengen van de dunne lucht hoog boven de aarde. Onderzoekers van de Kyoto University gebruikten openbare baangegevens van ongeveer 1.200 Starlink-satellieten om voor het eerst een tweedimensionale kaart te maken van de luchtdichtheid op zo'n 500 kilometer hoogte. Die informatie moet helpen om botsingen tussen satellieten en ruimtepuin te voorkomen, nu de lage baan om de aarde steeds voller raakt.

Een gat in onze kennis van de dampkring

De atmosfeer van de aarde houdt niet abrupt op bij de rand van de ruimte. Tot op honderden kilometers hoogte zit nog een ragfijne laag gas, de thermosfeer. Meer dan 99 procent van de deeltjes daar is elektrisch neutraal. Dat klinkt onbeduidend, maar die schaarse gasdeeltjes zorgen wel voor luchtweerstand, ook wel drag genoemd, die satellieten langzaam afremt en hun baan doet verlagen.

Voor ruimtevaartorganisaties is het cruciaal om te weten hoe dicht die lucht precies is, omdat daarmee te berekenen valt waar een satelliet over een paar dagen of weken ongeveer zal zitten. Toch is de thermosfeer notoir lastig te meten. De ionosfeer, de veel dunnere laag geladen deeltjes die zich er middenin bevindt, is juist wel goed te volgen, omdat geladen deeltjes radiogolven beïnvloeden en dus via radiosignalen te detecteren zijn. Neutraal gas laat zich niet op die manier verklikken. Metingen vereisen normaal gesproken dure specialistische instrumenten aan boord van onderzoekssatellieten, en die zijn schaars.

Duizenden satellieten als meetinstrument

De Japanse onderzoekers, onder leiding van Mamoru Yamamoto, bedachten een omweg. Ze gebruikten geen speciale sensoren, maar de gewone baangegevens die SpaceX openbaar publiceert over zijn Starlink-vloot. Doordat luchtweerstand de baan van een satelliet geleidelijk laat dalen, verraadt de snelheid van die daling hoe dicht de lucht ter plekke is. Door dat te combineren met de posities van circa 1.200 satellieten op ongeveer 482 kilometer hoogte, konden de onderzoekers de dichtheid van de thermosfeer over verschillende breedte- en lengtegraden reconstrueren.

Daarvoor gebruikten ze tomografie, een reconstructietechniek die vooral bekend is van CT-scans in ziekenhuizen. In plaats van doorsneden van een lichaam leverde de methode nu een soort plattegrond van de dichtheid van de bovenatmosfeer op. Volgens de onderzoekers is dit de eerste keer dat zo'n tomografische analyse van de thermosfeer is gemaakt. Ter controle vergeleken ze hun kaart met metingen van de Swarm-satellieten van de Europese ruimtevaartorganisatie ESA, die de dichtheid van de atmosfeer langs hun eigen baan meten. Beide datasets kwamen sterk overeen, wat het vertrouwen in de nieuwe methode versterkt.

Veiligere banen in een drukke ruimte

Het onderzoek bouwt voort op eerder werk van dezelfde groep, waarin ze met zogeheten Two-Line Element-gegevens al schommelingen in de thermosfeer door de tijd en op verschillende hoogtes in kaart brachten. De nieuwe studie voegt daar een geografische dimensie aan toe: niet alleen wanneer de dichtheid verandert, maar ook waar.

Die kennis is niet alleen interessant voor wetenschappers. Ruimtevaartbedrijven en toezichthouders hebben steeds betere voorspellingen nodig van hoe satellieten door de lucht bewegen, om botsingen met andere satellieten of met stukken ruimtepuin te voorkomen. Hoe voller de ruimte om de aarde raakt, hoe belangrijker die voorspellingen worden. Op termijn zou de techniek zelfs kunnen uitgroeien tot een soort realtime meetnet, dat continu de dichtheid rond satellieten volgt. Dat zou niet alleen de veiligheid in de ruimte ten goede komen, maar ook bijdragen aan betere voorspellingen van ruimteweer, de term voor activiteit van de zon die de aarde en haar technologie kan beïnvloeden.