Lage baan om de aarde: de drukke snelweg boven onze hoofden
Als je 's avonds naar een heldere hemel kijkt en een fel lichtpuntje ziet bewegen dat geen vliegtuig is, kijk je waarschijnlijk naar een satelliet in een lage baan om de aarde. Deze baan, in het Engels Low Earth Orbit of kortweg LEO, ligt relatief dicht bij het aardoppervlak: tussen de 160 en 2000 kilometer hoogte. Ter vergelijking: dat is minder dan de afstand van Amsterdam naar Rome. Het Internationaal Ruimtestation ISS, waar astronauten wonen en werken, cirkelt op zo'n 400 kilometer hoogte in precies zo'n lage baan.
Het bijzondere aan LEO is de snelheid waarmee alles rondgaat. Een satelliet in deze baan schiet met ongeveer 7,8 kilometer per seconde rond de aarde, wat betekent dat één volledige omloop maar anderhalf uur duurt. Astronauten op het ISS zien daardoor zestien zonsopgangen en zonsondergangen per dag. Dat staat in schril contrast met satellieten die veel verder weg staan en de aarde in precies 24 uur ronddraaien, waardoor ze boven hetzelfde punt lijken te blijven hangen. LEO is dus de drukke, snelle binnenring van het verkeer boven onze hoofden.
Wat is het precies?
Een baan om de aarde ontstaat door een evenwicht tussen twee krachten: de zwaartekracht die een object naar beneden trekt, en de middelpuntvliedende kracht die ontstaat doordat het object heel snel zijwaarts beweegt. Ga je snel genoeg, dan 'valt' een satelliet voortdurend om de aarde heen zonder ooit de grond te raken. Voor een baan op 400 kilometer hoogte is daarvoor die snelheid van ongeveer 7,8 kilometer per seconde nodig, zo'n 28.000 kilometer per uur.
Het bereik van 160 tot 2000 kilometer dat we LEO noemen is geen toevallige keuze. Onder de 160 kilometer is de dampkring nog merkbaar dicht genoeg om een object binnen dagen of weken te laten neerstorten door luchtweerstand. Boven de 2000 kilometer begint de middelste baan, Medium Earth Orbit (MEO), waar bijvoorbeeld gps-satellieten draaien op zo'n 20.000 kilometer hoogte. Nog veel verder, op 35.786 kilometer, ligt de geostationaire baan (GEO), waar satellieten zo langzaam ten opzichte van de aarde bewegen dat ze precies gelijk opdraaien met de aardrotatie en dus vanaf de grond stil lijken te hangen. Dat maakt GEO ideaal voor bijvoorbeeld televisiesatellieten, maar de grote afstand betekent ook vertraging in signalen en hogere lanceerkosten.
Zelfs op 400 kilometer hoogte is de dampkring niet helemaal weg. Er zitten nog losse moleculen die satellieten langzaam afremmen, waardoor hun baan geleidelijk daalt. Het ISS moet daarom regelmatig een duwtje omhoog krijgen van aangekoppelde ruimtevaartuigen om niet uiteindelijk te verbranden in de atmosfeer. Veel kleinere satellieten in LEO hebben geen eigen voortstuwing en vallen na een paar jaar vanzelf terug de dampkring in, waar ze meestal volledig verbranden.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste reden om juist in LEO satellieten te plaatsen is kosten en snelheid. Hoe lager de baan, hoe minder brandstof en dus geld een raket nodig heeft om er te komen. Dat maakt LEO aantrekkelijk voor bedrijven en ruimtevaartorganisaties die vaker en goedkoper willen kunnen lanceren.
Een tweede grote drijfveer is internetdekking. Satellieten in LEO staan zo dicht bij de aarde dat een signaal er in enkele milliseconden naartoe en weer terug kan, vergelijkbaar met de vertraging van kabelinternet. Om toch continu dekking te bieden op elke plek, zijn honderden tot duizenden satellieten nodig die samen een soort net om de aarde vormen: een megaconstellatie. Dat maakt razendsnel internet mogelijk op plekken waar geen kabels of zendmasten liggen, van afgelegen dorpen tot schepen op zee.
Daarnaast wordt LEO gebruikt voor aardobservatie: satellieten die weer, landbouw, klimaatverandering of rampen in de gaten houden, profiteren van de nabijheid tot het aardoppervlak voor scherpe beelden. Tot slot is LEO de plek voor bemande ruimtevaart en wetenschappelijk onderzoek in microzwaartekracht, de bijna-gewichtloze toestand die ontstaat doordat het ruimtestation en alles erin voortdurend samen om de aarde 'vallen'. Dat maakt experimenten mogelijk die op aarde onmogelijk zijn, van eiwitkristallen tot nieuwe legeringen.
Voorbeelden uit de praktijk
Het bekendste voorbeeld is het Internationaal Ruimtestation (ISS), waarvan de bouw begon in 1998 en dat sinds november 2000 onafgebroken bemand is door internationale bemanningen van onder meer NASA, Roscosmos en ESA. Het draait op ongeveer 400 kilometer hoogte en is met zijn omvang van een voetbalveld met blote oog zichtbaar vanaf aarde.
De Hubble-ruimtetelescoop, gelanceerd in 1990, cirkelt op zo'n 535 kilometer hoogte. Doordat hij boven de dampkring uitkomt, maakt Hubble scherpere foto's van het heelal dan telescopen op aarde ooit zouden kunnen, ondanks dat modernere instrumenten inmiddels verder kijken.
Starlink, het satellietinternetproject van SpaceX, begon in 2019 met de eerste lanceringen en bouwt sindsdien aan een megaconstellatie die medio jaren 2020 uit duizenden actieve satellieten bestaat, verspreid over banen van ongeveer 340 tot 550 kilometer hoogte. Het exacte aantal actieve satellieten verandert voortdurend doordat er steeds nieuwe bijkomen en oude worden vervangen, dus concrete actuele cijfers zijn met enige voorzichtigheid te lezen.
China bouwde zijn eigen ruimtestation, Tiangong, waarvan de eerste module in 2021 werd gelanceerd en dat sinds 2022 volledig operationeel en permanent bemand is op een vergelijkbare hoogte als het ISS.
Ook Amazon's Project Kuiper probeert een plek te veroveren in deze markt: na jaren van voorbereiding vonden de eerste testlanceringen plaats in 2023, met als doel een eigen satellietinternet-constellation op te bouwen die moet concurreren met Starlink.
Hoe ver is de techniek?
Het plaatsen van satellieten en ruimtestations in LEO is op zichzelf allesbehalve nieuw: het gebeurt al sinds Spoetnik in 1957. Wat de afgelopen tien jaar wél sterk veranderd is, is de schaal en de kosten. Herbruikbare raketten, met SpaceX's Falcon 9 als bekendste voorbeeld, kunnen na een lancering terugkeren en landen om opnieuw gebruikt te worden. Dat heeft de kosten per lancering flink verlaagd en gemaakt dat het financieel haalbaar werd om duizenden in plaats van tientallen satellieten te lanceren.
Die groei brengt een nieuw probleem met zich mee: ruimtepuin. Elke oude satelliet, afgedankte raketttrap of botsingsfragment die in LEO achterblijft, vormt een risico voor andere objecten. Wetenschappers waarschuwen al decennia voor het zogeheten Kessler-syndroom, een scenario waarin botsingen steeds meer puin veroorzaken, wat weer tot nieuwe botsingen leidt, tot een baan mogelijk onbruikbaar wordt. Op dit moment is dat scenario nog niet werkelijkheid, maar ruimtevaartorganisaties nemen het risico serieus genoeg om regels te ontwikkelen voor het actief opruimen of veilig laten verbranden van oude satellieten.
Een andere onzekerheid betreft de duurzaamheid van megaconstellaties: hoeveel satellieten LEO uiteindelijk veilig kan verdragen, hoe dat verkeer beheerd moet worden, en wie daarvoor verantwoordelijk is, zijn vragen waar internationale regelgeving nog niet volledig op is ingericht. Ook de invloed van duizenden felle satellieten op sterrenkundig onderzoek en de nachtelijke hemel is een punt van discussie tussen ruimtevaartbedrijven en astronomen.
Wie werken eraan?
SpaceX, opgericht door Elon Musk, is momenteel de grootste speler in LEO dankzij zijn herbruikbare Falcon 9-raketten en de Starlink-constellatie. In de Verenigde Staten spelen daarnaast NASA, dat het ISS mede beheert en steeds meer taken uitbesteedt aan private partijen, en Blue Origin, het ruimtevaartbedrijf van Jeff Bezos, een rol.
Amazon ontwikkelt met Project Kuiper zijn eigen satellietinternet-netwerk. In Europa coördineert de European Space Agency (ESA), waarin ook Nederland deelneemt, onderzoek en bemande missies naar het ISS. Rusland is via Roscosmos al sinds het begin van de ruimtevaart een van de belangrijkste spelers in LEO en mede-eigenaar van het ISS.
China bouwt met de China National Space Administration (CNSA) zijn eigen ruimtestation en satellietprogramma's op, los van de internationale samenwerking rond het ISS. Ten slotte is OneWeb, tegenwoordig onderdeel van het Franse Eutelsat, een andere aanbieder van satellietinternet die met Starlink en Kuiper concurreert om een plek in de drukke lage baan om de aarde.