Kessler-syndroom: waarom een kettingbotsing in de ruimte de aarde jarenlang zou kunnen opsluiten
Stel je een meerlaagse kettingbotsing voor op een snelweg, maar dan in de ruimte: geen remmen, geen bermen om uit te wijken, en snelheden van zo'n 28.000 kilometer per uur. Eén botsing tussen twee satellieten of stukken ruimtepuin levert honderden nieuwe brokstukken op, die op hun beurt weer andere objecten kunnen raken. Zo ontstaat een kettingreactie die steeds meer puin genereert, terwijl er niets verdwijnt: het blijft rondcirkelen, soms honderden jaren lang. Dit doemscenario heet het Kessler-syndroom.
De naam verwijst naar Donald J. Kessler, een NASA-wetenschapper die in 1978 samen met collega Burton Cour-Palais het paper "Collision Frequency of Artificial Satellites: The Creation of a Debris Belt" publiceerde. Daarin beschreven ze wiskundig hoe het aantal objecten in een baan om de aarde een kantelpunt kan bereiken: voorbij dat punt ontstaan er sneller nieuwe brokstukken door onderlinge botsingen dan er door natuurlijke processen verdwijnen. Het is geen sciencefictionscenario, maar een risico dat ruimtevaartorganisaties al decennialang serieus nemen.
Wat is het precies?
Satellieten in een lage baan om de aarde (Low Earth Orbit, afgekort LEO, meestal tussen de 200 en 2000 kilometer hoogte) bewegen extreem snel: ongeveer 27.000 tot 28.000 kilometer per uur, oftewel zo'n 7 tot 8 kilometer per seconde. Dat is nodig om niet terug naar de aarde te vallen, maar het betekent ook dat een botsing tussen twee objecten in tegengestelde banen kan plaatsvinden met een relatieve snelheid van tientallen kilometers per seconde.
Bij zulke snelheden werkt zelfs een klein bout- of verfvlokje als een projectiel. Een botsing tussen twee satellieten van enkele honderden kilo's kan duizenden nieuwe fragmenten opleveren, van kleine schilfers tot brokstukken ter grootte van een vuist. Elk van die fragmenten is op zijn beurt weer een potentieel projectiel voor de volgende botsing.
Het cascade-effect ontstaat wanneer de dichtheid van objecten in een bepaalde baanregio zo hoog wordt dat botsingen elkaar sneller opvolgen dan puin door luchtweerstand of andere effecten uit de baan verdwijnt. In de allerlaagste banen brandt puin binnen enkele jaren op in de dunne resten van de atmosfeer. Maar hoger op, tussen ongeveer 800 en 1000 kilometer hoogte, kan puin honderden jaren blijven rondcirkelen omdat daar vrijwel geen atmosfeer meer is om het af te remmen.
Wat wil men ermee bereiken?
Het Kessler-syndroom is geen technologie die iemand wil bouwen, maar een risicoscenario dat de ruimtevaartsector juist probeert te voorkomen. De belangrijkste doelstelling is simpel: de banen om de aarde bruikbaar houden voor toekomstige satellieten, ruimtestations en lanceringen.
Dat gebeurt via drie sporen. Ten eerste puinbeperking (in het Engels debris mitigation): satellieten zo ontwerpen dat ze aan het einde van hun leven zichzelf uit de baan halen, en geen onderdelen achterlaten die later kunnen exploderen door resterende brandstof of accu's. Een bekende, niet-bindende richtlijn hierbij is de "25-jaar-regel" van het Inter-Agency Space Debris Coordination Committee (IADC), een samenwerkingsverband van ruimtevaartorganisaties: satellieten in een lage baan zouden binnen 25 jaar na het einde van hun missie moeten deorbiteren, oftewel terugvallen in de atmosfeer en verbranden.
Ten tweede tracking: het nauwkeurig volgen van bestaand puin, zodat satellieten en bemande ruimtevaartuigen op tijd kunnen uitwijken. Ten derde actieve puinverwijdering: technologie die bestaand, oncontroleerbaar puin actief uit de ruimte haalt. Dat laatste staat nog in de kinderschoenen, zoals hieronder blijkt.
Voorbeelden uit de praktijk
Het Kessler-syndroom is geen abstract idee gebleven. Een aantal gebeurtenissen liet zien hoe reëel het risico is.
In januari 2007 vernietigde China met een raket opzettelijk zijn eigen, verouderde weersatelliet Fengyun-1C, als test van een antisatellietwapen (ASAT). Deze test creëerde in één klap meer dan 3000 traceerbare brokstukken en daarmee, in één keer, de grootste toename van ruimtepuin ooit veroorzaakt door een enkele gebeurtenis.
In februari 2009 botsten de actieve Amerikaanse communicatiesatelliet Iridium 33 en de uitgeschakelde Russische satelliet Cosmos 2251 op elkaar boven Siberië. Het was de eerste keer dat twee intacte satellieten per ongeluk met elkaar in botsing kwamen, en de gebeurtenis leverde duizenden extra brokstukken op.
In november 2021 voerde Rusland een eigen ASAT-test uit door de eigen, buiten dienst gestelde satelliet Cosmos 1408 op te blazen. De bemanning van het Internationaal Ruimtestation (ISS) moest daarop tijdelijk schuilen in hun terugkeercapsules, voor het geval de baan van het station door het puin bedreigd zou worden.
Naast deze incidenten zijn er ook eerste pogingen om het probleem actief aan te pakken. Het Japanse bedrijf Astroscale voerde in 2021 de ELSA-d-missie uit, een demonstratie waarbij een ruimtevaartuig een nagebouwd stuk puin met een magnetische koppeling ving. Het Europese ruimteagentschap ESA werkt met het Zwitserse bedrijf ClearSpace aan de ClearSpace-1-missie, die een afgedankt raketonderdeel actief uit de ruimte moet halen. Deze missie was oorspronkelijk gepland voor rond 2025, maar de planning is sindsdien meerdere keren opgeschoven, wat illustreert hoe lastig het is om dit soort technologie operationeel te krijgen.
Hoe ver is de techniek?
Het volgen van ruimtepuin is inmiddels redelijk volwassen. Netwerken zoals het Amerikaanse Space Surveillance Network (beheerd door de Amerikaanse Space Force) en het Space Debris Office van ESA volgen momenteel tienduizenden objecten groter dan ongeveer 10 centimeter met radar en telescopen. Daarnaast schatten onderzoekers dat er miljoenen kleinere fragmenten rondcirkelen die te klein zijn om individueel te volgen, maar bij een botsing nog altijd schade kunnen aanrichten.
Actieve puinverwijdering staat echter nog vrijwel volledig in de experimentele fase. Missies zoals ELSA-d en ClearSpace-1 zijn demonstraties of eerste operationele pogingen, geen grootschalige opruimoperaties. Er bestaat vooralsnog geen technologie die op grote schaal en kosteneffectief puin uit de ruimte haalt.
De zorgen zijn de laatste jaren juist toegenomen door de opkomst van megaconstellaties: netwerken van duizenden kleine satellieten, zoals Starlink van SpaceX. Voorstanders wijzen erop dat deze satellieten relatief laag vliegen en snel uit de baan verdwijnen als ze uitvallen, en dat operators steeds vaker automatische uitwijkmanoeuvres gebruiken. Critici wijzen erop dat het sterk groeiende aantal objecten het aantal potentiële samenkomsten ("conjuncties") en dus het statistische botsingsrisico onvermijdelijk vergroot. Een bindend internationaal verdrag tegen het Kessler-syndroom bestaat niet; er zijn alleen richtlijnen zoals die van het IADC, die landen en bedrijven vrijwillig kunnen volgen.
Wie werken eraan?
Op het gebied van tracking en beleid zijn de belangrijkste spelers de grote ruimtevaartagentschappen: ESA, met zijn Space Debris Office en het bredere Clean Space-initiatief, NASA, met het Orbital Debris Program Office, en het Japanse ruimteagentschap JAXA. Ook militaire en civiele trackingdiensten, zoals de Amerikaanse Space Force, spelen een grote rol in het monitoren van objecten.
Op het gebied van actieve puinverwijdering en commerciële tracking zijn vooral gespecialiseerde bedrijven actief: Astroscale uit Japan, ClearSpace uit Zwitserland, en LeoLabs, een bedrijf dat met eigen radarstations ruimtepuin volgt en die data commercieel aanbiedt.
Internationale coördinatie verloopt via het Inter-Agency Space Debris Coordination Committee (IADC), waarin ruimtevaartorganisaties van onder meer de VS, Europa, Rusland, China, Japan en India samenwerken aan richtlijnen, en via het Comité voor het Vreedzaam Gebruik van de Ruimte van de Verenigde Naties (UN COPUOS), waar landen internationale afspraken over ruimtegedrag bespreken.