Orbitale snelheid: de snelheid die een satelliet in een baan houdt
Orbitale snelheid is de snelheid die een object nodig heeft om rond een hemellichaam te blijven cirkelen zonder terug te vallen of weg te vliegen de ruimte in. Het klinkt paradoxaal, maar een satelliet in een baan om de aarde valt eigenlijk voortdurend: de zwaartekracht trekt hem naar beneden, maar doordat hij ook enorm snel opzij beweegt, mist hij steeds net de aarde. Die combinatie van vallen en opzij bewegen levert een baan op die om de aarde heen blijft cirkelen.
De natuurkundige Isaac Newton bedacht hiervoor al in de zeventiende eeuw een mooie gedachte-experiment: een kanon op een hoge berg schiet een kogel horizontaal weg. Bij lage snelheid valt de kogel al snel op de grond. Schiet je harder, dan landt hij verder weg, want de aarde is rond en 'buigt weg' onder de kogel. Bij een bepaalde snelheid buigt de aarde precies zo snel weg als de kogel valt, en blijft de kogel eeuwig om de aarde heen cirkelen. Die specifieke snelheid is de orbitale snelheid. Voor een baan vlak boven de dampkring van de aarde is dat ongeveer 7,8 kilometer per seconde, oftewel ruim 28.000 kilometer per uur.
Wat is het precies?
Orbitale snelheid ontstaat uit een evenwicht tussen twee krachten. Aan de ene kant is er de zwaartekracht, die een object naar het middelpunt van de aarde trekt. Aan de andere kant is er de traagheid van het object: iets dat beweegt, wil in een rechte lijn blijven bewegen. Bij precies de juiste snelheid buigt de rechte baan van het object door de zwaartekracht net genoeg af om een cirkel (of ellips) rond de aarde te vormen, in plaats van naar de grond te vallen of de ruimte in te schieten.
Hoeveel snelheid daarvoor nodig is, hangt af van twee dingen: de massa van het hemellichaam waar je omheen draait, en de afstand tot het middelpunt daarvan. Hoe zwaarder de planeet en hoe dichterbij je vliegt, hoe harder je moet gaan. Natuurkundigen vatten dit samen in de formule v = √(GM/r): de snelheid is de wortel van de zwaartekrachtconstante maal de massa van het hemellichaam, gedeeld door de afstand tot het middelpunt. Je hoeft de formule niet te onthouden, maar het kernidee is simpel: verder weg van de aarde betekent minder snelheid nodig, dichterbij betekent meer snelheid nodig.
Dit levert heel verschillende getallen op voor verschillende banen. In een lage baan om de aarde, een LEO genoemd (Low Earth Orbit, meestal tussen 300 en 2.000 kilometer hoogte), is ongeveer 7,8 kilometer per seconde nodig. Op de hoogte van een geostationaire baan, 35.786 kilometer boven de evenaar, is dat nog maar circa 3,07 kilometer per seconde. Een geostationaire baan is bijzonder omdat een satelliet daar precies één omwenteling per 24 uur maakt, in dezelfde richting als de aarde draait, waardoor hij vanaf de grond gezien altijd boven hetzelfde punt lijkt te 'hangen'. Dat is handig voor bijvoorbeeld televisiesatellieten.
Er is nog een derde belangrijk getal: de ontsnappingssnelheid, ongeveer 11,2 kilometer per seconde vanaf het aardoppervlak. Dat is de snelheid die nodig is om de zwaartekracht van de aarde helemaal te ontsnappen, bijvoorbeeld voor een ruimtesonde die naar Mars of verder reist. Deze snelheid is hoger dan orbitale snelheid, omdat je de aarde niet alleen wilt omcirkelen maar er definitief van wilt wegkomen.
Wat wil men ermee bereiken?
Het bereiken van orbitale snelheid is de sleutel tot alles wat we tegenwoordig met satellieten doen. Zonder die snelheid geen gps-navigatie, geen weersvoorspelling via satellietbeelden, geen satelliet-tv en geen internationale telefonie via communicatiesatellieten. Al deze toepassingen zijn afhankelijk van objecten die stabiel in een baan om de aarde blijven, jarenlang, zonder dat er voortdurend brandstof nodig is om ze op hoogte te houden.
Ook bemande ruimtevaart draait volledig om dit principe. Het internationale ruimtestation ISS blijft niet zweven door een soort antizwaartekracht, maar omdat het met de juiste orbitale snelheid rond de aarde 'valt'. Astronauten aan boord ervaren gewichtloosheid niet omdat er geen zwaartekracht is, maar omdat station én bemanning in precies hetzelfde tempo vallen.
Een ander doel is het verlagen van de kosten om die snelheid te bereiken. Raketten moeten enorm veel brandstof meenemen om van stilstand op de grond naar 7,8 kilometer per seconde te komen, en dat kost geld en verhoogt het risico. Veel van het huidige onderzoek richt zich daarom op herbruikbare raketten en efficiëntere motoren, om ruimtevaart betaalbaarder en toegankelijker te maken.
Voorbeelden uit de praktijk
De eerste keer dat een door mensen gemaakt object orbitale snelheid haalde, was op 4 oktober 1957, toen de Sovjet-Unie de satelliet Sputnik 1 lanceerde. Deze metalen bol van ongeveer 58 centimeter doorsnee bereikte een snelheid van ruim 8 kilometer per seconde en cirkelde daarna 21 dagen lang om de aarde voordat de batterijen leegraakten.
Het Internationaal Ruimtestation (ISS), sinds 1998 in aanbouw en sinds 2000 continu bemand, draait op ongeveer 400 kilometer hoogte met een snelheid van circa 7,66 kilometer per seconde. Dat betekent dat het station elke 92 minuten een volledige rondje om de aarde maakt, oftewel ruim vijftien keer per dag zonsopgang en zonsondergang meemaakt.
Het bedrijf SpaceX lanceert sinds 2019 duizenden kleine Starlink-satellieten in een lage baan om wereldwijd internettoegang te bieden. Deze satellieten moeten, net als elk ander object in een lage baan, de karakteristieke 7,8 kilometer per seconde bereiken om niet terug de dampkring in te vallen.
Ter vergelijking: de suborbitale ruimtevluchten van Virgin Galactic (met de SpaceShipTwo, operationeel sinds 2023) en Blue Origins New Shepard (sinds 2021 met passagiers) komen wel boven de zogeheten Kármán-lijn op honderd kilometer hoogte, de gangbare grens van de ruimte, maar bereiken bij lange na geen orbitale snelheid. Ze schieten recht omhoog, ervaren enkele minuten gewichtloosheid en vallen daarna terug naar de aarde. Dat maakt zulke vluchten technisch en financieel veel eenvoudiger dan een echte ruimtevaartmissie, maar het is nadrukkelijk geen baanvlucht.
Hoe ver is de techniek?
Het bereiken van orbitale snelheid is sinds Sputnik een bewezen en herhaaldelijk uitgevoerde technologie, maar het blijft duur en veeleisend. De enige praktisch bewezen methode is nog altijd de meertraps chemische raket: een voertuig dat in fases zijn eigen, steeds lichter wordende onderdelen afwerpt terwijl het versnelt, omdat het anders simpelweg te zwaar zou zijn om ooit van de grond te komen. Natuurkundigen noemen de totale hoeveelheid snelheidsverandering die een missie vereist het delta-v-budget; voor een lancering naar een lage baan komt dat, door verliezen aan luchtweerstand en zwaartekracht tijdens de klim, neer op ongeveer 9 tot 10 kilometer per seconde aan benodigde snelheidswinst, hoger dan de uiteindelijke baansnelheid zelf.
De grootste recente ontwikkeling is herbruikbaarheid. SpaceX laat sinds 2015 onderste raketttrappen van de Falcon 9 terugkeren en landen, waardoor onderdelen tientallen keren hergebruikt kunnen worden. Dit heeft de lanceerkosten per kilogram aanzienlijk verlaagd, al blijft raketlancering nog altijd een dure en brandstofintensieve aangelegenheid. Het bedrijf werkt daarnaast aan Starship, een volledig herbruikbaar systeem dat bedoeld is om de kosten verder te drukken, maar dat project bevindt zich nog in een testfase met wisselend succes.
Experimentele concepten zoals lucht-ademende motoren of ruimtevliegtuigen, die een deel van de klim zonder eigen zuurstof-aan-boord willen afleggen door zuurstof uit de atmosfeer te gebruiken, worden al decennia onderzocht als mogelijke manier om goedkoper orbitale snelheid te bereiken. Geen van deze concepten heeft tot nu toe een operationeel, orbit-vluchtklaar systeem opgeleverd; de technische en financiële hindernissen zijn tot dusver te groot gebleken. Voor de nabije toekomst blijft de klassieke raket dus de enige beproefde weg naar orbitale snelheid.
Wie werken eraan?
Overheidsruimtevaartorganisaties vormen nog altijd de basis van dit vakgebied. De Amerikaanse NASA, de Europese ESA (met bijdragen van onder meer Nederland), het Russische Roscosmos, het Chinese CNSA en het Indiase ISRO ontwikkelen en lanceren al decennia raketten die orbitale snelheid bereiken, en financieren veel van het fundamentele onderzoek.
Daarnaast is er een groeiend aantal commerciële spelers. SpaceX is momenteel de grootste commerciële lanceerder ter wereld qua aantal missies. Blue Origin, opgericht door Jeff Bezos, werkt naast suborbitale vluchten ook aan de orbitale New Glenn-raket. Kleinere bedrijven zoals het Nieuw-Zeeland/Amerikaanse Rocket Lab richten zich op lanceringen van kleinere satellieten naar een lage baan. Al deze partijen werken, ondanks onderlinge concurrentie, met dezelfde onderliggende natuurkunde: om iets in een baan om de aarde te krijgen, is en blijft die karakteristieke snelheid van ruim 7,8 kilometer per seconde onvermijdelijk.