Deorbitverbranding: hoe satellieten aan hun einde komen
Deorbitverbranding is het bewust laten terugkeren van een satelliet of ruimtestation in de dampkring, zodat het daar door wrijving met de lucht verhit raakt en grotendeels of volledig verbrandt. Denk aan een vallende ster: dat is meestal een stukje steen of stof dat met hoge snelheid de atmosfeer instort en door de wrijving zo heet wordt dat het oplicht en verdampt. Bij deorbitverbranding gebeurt hetzelfde, maar dan met een uitgediende satelliet, en vaak niet toevallig: ruimtevaartorganisaties plannen het moment en de plek van terugkeer zo precies mogelijk.
Waarom zou je dat doen? Rond de aarde cirkelen duizenden satellieten en tienduizenden stukken ruimtepuin, van afgedankte raketonderdelen tot verloren gereedschapskisten van astronauten. Elk object dat te lang blijft rondzweven, vergroot de kans op botsingen, die op hun beurt weer nieuw puin opleveren. Deorbitverbranding is een manier om ruimtevaartuigen aan het eind van hun leven netjes op te ruimen, voordat ze zelf een obstakel worden voor toekomstige missies.
Wat is het precies?
Een satelliet die in een lage baan om de aarde draait (low earth orbit, meestal tussen de 300 en 2000 kilometer hoogte) ondervindt al een klein beetje luchtweerstand van de zeer dunne resten van de dampkring die daar nog aanwezig zijn. Die weerstand remt de satelliet langzaam af, waardoor hij geleidelijk naar een lagere baan zakt. Uiteindelijk wordt de dampkring dik genoeg om het object volledig te laten neerstorten.
Bij een ongecontroleerde terugkeer laat men dit proces gewoon zijn gang gaan. Niemand stuurt bij, en het object valt ergens neer waar de natuurkunde het toevallig naartoe leidt. Dat klinkt onschuldig, maar bij grotere objecten kan een deel van het materiaal de val overleven en op onvoorspelbare plekken op aarde terechtkomen.
Bij een gecontroleerde terugkeer grijpt men actief in. De satelliet heeft dan nog kleine stuwraketjes aan boord, met een beetje brandstof gereserveerd voor precies dit doel. Door op het juiste moment een remstuwing (in het Engels vaak 'deorbit burn' genoemd) uit te voeren, verlaagt men het laagste punt van de baan (het perigeum) zo ver dat de satelliet gegarandeerd in de dampkring terechtkomt, en wel op een tijdstip en boven een gebied dat men vooraf kan berekenen.
Tijdens de terugkeer zelf zorgt de enorme snelheid, al snel meer dan 25.000 kilometer per uur, voor extreme wrijvingshitte. Materialen als aluminium beginnen dan te smelten en te verdampen, een proces dat ablatie heet: laag voor laag brandt de buitenkant van het object weg. Onderdelen met een hoog smeltpunt, zoals bepaalde titanium tanks of reactiewielen, overleven soms toch en bereiken het aardoppervlak. Daarom mikt men bij grotere objecten meestal op afgelegen oceaangebieden, zodat eventuele restanten geen schade kunnen aanrichten.
Kleinere satellieten, zoals de duizenden Starlink-satellieten van SpaceX, zijn tegenwoordig bewust zo ontworpen dat vrijwel alle onderdelen tijdens de terugkeer volledig verbranden. Dat noemt men wel 'demise-by-design': het toestel is zo gebouwd dat er relatief weinig risicovol restmateriaal overblijft.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel is het voorkomen van een opeenstapeling van ruimtepuin. In 1978 beschreef NASA-wetenschapper Donald Kessler een schrikbeeld dat inmiddels bekendstaat als het Kessler-syndroom: als er genoeg puin in een baan om de aarde zit, kunnen botsingen een kettingreactie veroorzaken waarbij steeds meer brokstukken ontstaan, tot een bepaalde baanhoogte in theorie onbruikbaar wordt voor nieuwe missies. Deorbitverbranding is een van de belangrijkste manieren om dat te voorkomen: satellieten die hun taak erop hebben zitten, worden actief verwijderd in plaats van als rondzwevend afval achtergelaten.
Daarnaast speelt veiligheid op aarde een rol. Een oncontroleerbaar object dat toevallig neerkomt, kan in theorie schade of letsel veroorzaken, al is de kans daarop voor een individueel persoon extreem klein. Toch willen ruimtevaartorganisaties en toezichthouders die kans zo veel mogelijk verkleinen, zeker nu het aantal satellieten in een baan om de aarde de afgelopen jaren enorm is gegroeid.
Tot slot is er een economische en praktische kant: hoe voller de populaire lage banen raken met oud materiaal, hoe lastiger en duurder het wordt om nieuwe satellieten daar veilig te lanceren en te laten functioneren. Opruimen is dus ook in het belang van de ruimtevaartsector zelf.
Voorbeelden uit de praktijk
Het ruimtestation Mir (Rusland) onderging in maart 2001 een van de bekendste gecontroleerde deorbits. Na vijftien jaar dienst werd het station met een reeks remstuwingen gericht naar een afgelegen deel van de Stille Oceaan, in de buurt van het zogeheten oceanische ontoegankelijkheidspunt, ook wel 'Point Nemo' genoemd: het verst van land verwijderde punt op aarde. Dat gebied wordt sindsdien informeel het 'ruimtevaartuigkerkhof' genoemd, omdat er tientallen uitgediende voertuigen zijn neergekomen.
Het Chinese ruimtestation Tiangong-1 liet in 2018 juist zien hoe het mis kan gaan: China verloor de controle over het station, waardoor het in april van dat jaar ongecontroleerd terugkeerde. Het brandde grotendeels op boven de Stille Oceaan, maar tot kort voor de terugkeer was niet precies te voorspellen waar de restanten zouden neerkomen.
De Europese ruimtevaartorganisatie ESA voerde met de windmeetsatelliet Aeolus in 2023 een opmerkelijke operatie uit: een 'geassisteerde terugkeer'. Aeolus was oorspronkelijk niet ontworpen om gecontroleerd te deorbiten, maar ESA gebruikte de laatste restjes brandstof om de baan bij te sturen, zodat de satelliet met meer precisie boven een onbewoond deel van de Atlantische Oceaan terugkeerde in plaats van willekeurig ergens neer te komen. ESA presenteerde dit als een eerste stap richting striktere zelfopgelegde regels voor toekomstige missies.
SpaceX deorbit routinematig Starlink-satellieten die het einde van hun levensduur bereiken of technische storingen vertonen, met behulp van de kleine ionstuwraketjes aan boord. Omdat deze satellieten relatief laag vliegen en grotendeels uit materialen bestaan die tijdens terugkeer verbranden, gebeurt dit doorgaans binnen enkele jaren na uitval, in plaats van de tientallen jaren die een baan van nature zou kunnen duren.
Voor het Internationaal Ruimtestation (ISS) ligt er een langetermijnplan: rond 2030 of 2031 moet het station buiten dienst worden gesteld en gecontroleerd worden gedeorbit boven een afgelegen oceaangebied, vermoedelijk eveneens in de buurt van Point Nemo. NASA gaf hiervoor in 2024 een opdracht aan SpaceX voor de bouw van een speciaal 'US Deorbit Vehicle', een fors uitgebreide versie van de Dragon-capsule met extra stuwkracht, specifiek bedoeld om het enorme station (dat te groot is om spontaan volledig te verbranden) op een veilige en voorspelbare manier naar beneden te brengen.
Hoe ver is de techniek?
Gecontroleerde deorbitverbranding met stuwraketjes is op zichzelf geen nieuwe of experimentele techniek: het wordt al decennia toegepast bij grotere ruimtevaartuigen zoals Mir en talloze raketbovenstrappen. De belangrijkste ontwikkelingen van de afgelopen jaren zitten niet zozeer in de basistechniek, maar in de schaal, de regelgeving en het ontwerp van satellieten zelf.
Doordat het aantal satellieten in een baan om de aarde de laatste jaren explosief is gestegen, vooral door grote constellaties zoals Starlink, groeit ook de noodzaak om deorbitplannen standaard onderdeel te maken van elke missie, in plaats van een uitzondering. Internationale richtlijnen, zoals die van het Inter-Agency Space Debris Coordination Committee (IADC), schreven lange tijd voor dat een satelliet in de lage baan binnen 25 jaar na het einde van zijn missie moest zijn teruggekeerd. In de Verenigde Staten verkortte de telecomtoezichthouder FCC die termijn in 2022 tot vijf jaar voor satellieten onder Amerikaanse jurisdictie, een aanscherping die de sector dwingt om deorbitcapaciteit al bij het ontwerp mee te nemen.
Een obstakel is dat niet elke satelliet voldoende brandstof of stuwkracht overhoudt voor een gecontroleerde terugkeer, zeker als er onderweg storingen optreden. Daarom wordt ook gewerkt aan passieve technieken, zoals uitklapbare 'deorbit sails': lichte, grote oppervlakken die de luchtweerstand vergroten zodat een satelliet ook zonder actieve besturing sneller uit zijn baan zakt. Deze technologie is inmiddels in kleinschalige missies getest, maar nog niet op grote schaal in gebruik.
Daarnaast blijft precieze voorspelling van het exacte moment en de exacte plek van terugkeer lastig, vooral bij ongecontroleerde gevallen: de dichtheid van de bovenste dampkringlagen varieert namelijk met de zonneactiviteit, wat de berekeningen tot enkele uren of dagen voor de daadwerkelijke terugkeer onzeker maakt.
Wie werken eraan?
De grote ruimtevaartorganisaties zijn allemaal betrokken bij het opstellen van regels en het uitvoeren van deorbitmissies: de Europese ruimtevaartorganisatie ESA, het Amerikaanse NASA, het Japanse JAXA en het Russische Roscosmos. Zij werken deels samen binnen het IADC, waarin ook andere nationale ruimtevaartagentschappen vertegenwoordigd zijn en dat gezamenlijke richtlijnen voor ruimtepuinbeperking opstelt.
Aan de commerciële kant is SpaceX een belangrijke speler, zowel als operator van de Starlink-constellatie die eigen satellieten deorbit, als straks als bouwer van het US Deorbit Vehicle voor het ISS. Ook andere satellietoperators, zoals OneWeb en Amazon met zijn geplande Kuiper-constellatie, moeten voor hun vergunningen deorbitplannen indienen.
In de Verenigde Staten bepaalt de FCC mede de regels voor satellieten die vanuit Amerikaans grondgebied worden geëxploiteerd, terwijl in Europa nationale ruimtevaartwetten en ESA-richtlijnen een vergelijkbare rol spelen. Onderzoeksinstituten aan universiteiten, onder meer in Duitsland, Frankrijk en het Verenigd Koninkrijk, doen daarnaast fundamenteel onderzoek naar baanvoorspelling, ablatiegedrag van materialen en 'demise-by-design'-methoden om satellieten veiliger te laten opbranden.