Afvalbaan: de kosmische parkeerplaats voor uitgediende satellieten
Stel je een parkeergarage voor met maar één schaarse, gewilde verdieping: iedereen wil daar staan, maar er is beperkte ruimte. Zodra een auto niet meer rijdt, moet hij weg, anders raakt de verdieping verstopt en wordt hij onbruikbaar voor nieuwe auto's. Zoiets speelt zich al decennia af, zij het onzichtbaar voor de meesten van ons, op zo'n 36.000 kilometer boven onze hoofden. Daar bevindt zich de geostationaire baan, de meest waardevolle plek in de ruimte voor communicatie-, weer- en televisiesatellieten. Een afvalbaan (in het Engels graveyard orbit) is de oplossing die de ruimtevaartsector bedacht heeft voor het parkeerprobleem: een baan net iets hoger, waar uitgediende satellieten aan het einde van hun leven naartoe worden gestuurd zodat ze de drukke, waardevolle baan daaronder niet blokkeren.
Het klinkt eenvoudig, maar het is een zorgvuldig geregisseerd proces. Satellietoperators reserveren aan het einde van de missie een laatste beetje brandstof om hun toestel een duwtje te geven, waarmee het een paar honderd kilometer hoger komt te zweven. Daar blijft het, uitgeschakeld en stuurloos, voor tientallen tot honderden jaren rondcirkelen zonder gevaar te vormen voor actieve satellieten. Het is geen technologie in de zin van een nieuw apparaat, maar eerder een afspraak, een procedure en een klein beetje techniek die samen moeten voorkomen dat de ruimte om de aarde volraakt met rondzwevend schroot.
Wat is het precies?
Om te begrijpen waarom een afvalbaan nodig is, moet je eerst weten wat de geostationaire baan (afgekort GEO) zo bijzonder maakt. Op een hoogte van ongeveer 35.786 kilometer boven de evenaar draait een satelliet exact even snel mee als de aarde zelf ronddraait. Vanaf de grond lijkt zo'n satelliet dus stil te hangen boven één punt op aarde. Dat is ideaal voor communicatiesatellieten, tv-uitzendingen en weersatellieten, omdat schotels en antennes op aarde niet hoeven mee te bewegen.
Het probleem is dat er maar een beperkt aantal 'plekken' in die baan is waar satellieten elkaar niet in de weg zitten met hun radiosignalen. Deze posities worden internationaal verdeeld door de Internationale Telecommunicatie Unie (ITU), een gespecialiseerde organisatie van de Verenigde Naties. Een satelliet die is uitgediend maar op zijn plek blijft hangen, bezet niet alleen een schaarse positie, maar vormt ook een aanrijdingsrisico voor satellieten die nog wel actief zijn.
De oplossing: aan het einde van de missie voert de satelliet een laatste stuwraketmanoeuvre uit om zijn baan te verhogen tot ruim boven GEO. Internationale richtlijnen, opgesteld door het Inter-Agency Space Debris Coordination Committee (IADC), bevelen een minimale verhoging aan die afhangt van de hoeveelheid zonlicht die op het oppervlak van de satelliet drukt (de zogeheten stralingsdruk). Vuistregel: ongeveer 235 kilometer boven GEO, plus een marge voor de grootte en vorm van de satelliet. Op die hoogte duurt het naar schatting honderden jaren voordat de baan van het object weer terugzakt richting de drukke GEO-gordel.
Voor de motor die dit mogelijk maakt gebruiken operators soms chemische stuwraketten, maar steeds vaker ionenmotoren: elektrische voortstuwing die zeer zuinig is met brandstof maar weinig stuwkracht levert, waardoor de manoeuvre langzamer verloopt. Het voordeel is dat een satelliet met ionenmotoren minder brandstof hoeft mee te nemen voor dezelfde taak, wat weer meer levensduur in de operationele baan oplevert.
Wat wil men ermee bereiken?
Het hoofddoel is simpel: voorkomen dat de geostationaire baan, een eindige en onvervangbare hulpbron, langzaam dichtslibt met rondzwevend ruimtepuin. Anders dan in lagere banen, waar de dunne restatmosfeer van de aarde satellieten vanzelf langzaam laat terugvallen en verbranden, is er op GEO-hoogte vrijwel geen luchtweerstand. Een dode satelliet die daar blijft hangen, blijft in principe voor altijd hangen, of botst ooit met iets anders.
Een botsing in GEO is bijzonder onwenselijk. Waar puin in lage banen na verloop van tijd vanzelf verdwijnt, blijft brokstukken in en rond de geostationaire gordel vrijwel eeuwig rondzweven. Elke botsing kan honderden nieuwe brokstukken opleveren, die op hun beurt weer een risico vormen voor andere satellieten: een kettingreactie die experts de Kessler-syndroom noemen, vernoemd naar de NASA-wetenschapper die dit scenario in 1978 beschreef. Door tijdig naar de afvalbaan te verhuizen, houdt de sector de operationele baan schoon en bruikbaar voor toekomstige generaties satellieten.
Daarnaast speelt een economisch belang: GEO-posities zijn schaars en waardevol. Landen en bedrijven investeren miljoenen in het verkrijgen van een ITU-slot. Als die posities vervuild raken met inactieve satellieten, wordt het lastiger en riskanter om nieuwe, actieve satellieten daar veilig te plaatsen.
Voorbeelden uit de praktijk
Het bekendste voorbeeld is misschien wel Artemis, een Europese datarelay-satelliet van ESA die in 2001 door een raketstoring in een veel te lage baan terechtkwam. In plaats van de satelliet af te schrijven, gebruikten ingenieurs de kleine ionenmotoren aan boord om de satelliet in de loop van anderhalf jaar, tussen 2001 en 2003, alsnog naar de geostationaire baan te tillen. Het liet zien hoe flexibel elektrische voortstuwing kan worden ingezet, ook al was dit een reddingsactie en geen reguliere afvalbaan-manoeuvre.
Een ander veelgenoemd geval is Anik E2, een Canadese communicatiesatelliet van Telesat die in 1994 door een zonnestorm zijn oriëntatie verloor. De satelliet werd via een noodprocedure gered en bleef nog jaren in dienst, wat illustreert hoe kwetsbaar GEO-satellieten zijn voor ruimteweer en waarom een zorgvuldig einde-levensduurplan zo belangrijk is.
Grote commerciële operators zoals Intelsat, SES en Eutelsat voeren tegenwoordig routinematig afvalbaan-manoeuvres uit wanneer hun satellieten het einde van hun operationele leven bereiken, doorgaans na vijftien tot twintig jaar dienst. Deze operators publiceren, mede onder druk van de sector en toezichthouders, steeds vaker rapportages over de naleving van de IADC-richtlijnen.
Ook opvallend: sinds de jaren 2000 monitort ESA's Space Debris Office in Darmstadt jaarlijks welk percentage van de satellieten die GEO verlaten, daadwerkelijk aan de aanbevolen afvalbaan-hoogte voldoet. Uit die jaarlijkse rapportages (de ESA Space Environment Report) blijkt dat de naleving is verbeterd sinds de jaren negentig, maar nog altijd niet compleet is.
Hoe ver is de techniek?
De manoeuvre zelf is geen nieuwe of onbewezen technologie: satellietoperators voeren dit soort baanverhogingen al sinds de jaren tachtig en negentig uit, en de benodigde stuwraketten en ionenmotoren zijn goed beproefde techniek. Het knelpunt zit niet in de techniek, maar in de planning en naleving.
Het grootste probleem is brandstofbudget. Operators moeten aan het begin van een missie al reserveren hoeveel brandstof nodig is voor de laatste afvalbaan-manoeuvre. Onverwachte gebeurtenissen, zoals storingen, langere levensduur dan gepland, of een verkeerde inschatting vooraf, kunnen ertoe leiden dat een satelliet aan het einde van zijn leven te weinig brandstof over heeft om de volledige aanbevolen hoogte te bereiken. Uit data van ESA en het Amerikaanse Center for Space Standards and Innovation blijkt dat een substantieel deel van de satellieten die GEO verlaten, niet de volledige aanbevolen 235 kilometer haalt, hoewel de meerderheid wel een baanverhoging uitvoert.
Een ander punt van zorg: de afvalbaan zelf raakt langzaam voller. Hoewel er in absolute termen nog veel ruimte is, groeit het aantal geparkeerde objecten daar gestaag, en onderzoekers houden nauwlettend in de gaten of dit op de zeer lange termijn (eeuwen) zelf een probleem kan worden. Tot slot ontbreekt voor satellieten die volledig uitvallen (bijvoorbeeld door een stroomstoring) vaak het vermogen om zichzelf nog te verplaatsen. Voor die gevallen wordt onderzoek gedaan naar actieve verwijdering van ruimtepuin door externe vaartuigen, bijvoorbeeld door het Zwitserse bedrijf ClearSpace en het Japanse Astroscale, al richten die missies zich vooralsnog vooral op lagere banen.
Wie werken eraan?
Het opstellen van richtlijnen en het monitoren van naleving gebeurt vooral door internationale samenwerkingsverbanden. Het Inter-Agency Space Debris Coordination Committee (IADC), opgericht in 1993, verenigt ruimtevaartorganisaties van onder meer de Verenigde Staten (NASA), Europa (ESA), Rusland (Roscosmos), Japan (JAXA), Frankrijk (CNES), Duitsland (DLR), het Verenigd Koninkrijk (UKSA), China (CNSA) en India (ISRO), en stelt de technische aanbevelingen op voor afvalbanen.
De Internationale Telecommunicatie Unie (ITU), onderdeel van de Verenigde Naties, regelt welke landen en operators welke GEO-posities mogen gebruiken en verbindt daar in toenemende mate ook eisen aan rond einde-levensduurbeleid.
ESA's Space Debris Office in Darmstadt en NASA's Orbital Debris Program Office houden de operationele stand van zaken bij en publiceren jaarlijkse rapportages over ruimtepuin en de naleving van afvalbaan-richtlijnen. Commerciële satellietoperators als Intelsat, SES en Eutelsat voeren de daadwerkelijke manoeuvres uit voor hun eigen vloten. Voor het opruimen van reeds bestaand puin dat zichzelf niet meer kan verplaatsen, ontwikkelen bedrijven als ClearSpace (Zwitserland) en Astroscale (Japan) technologie voor actieve verwijdering, met steun van onder meer ESA.