NASA bestudeert laser voor het verwijderen van ruimteafval

In 1978 voorspelde NASA-wetenschapper Donald Kessler dat een botsing tussen twee stukken ruimteafval een cascade van verdere inslagen zou kunnen veroorzaken, waardoor gevaarlijk grote hoeveelheden puin zouden ontstaan.

Kessler wees erop dat wanneer de snelheid waarmee puin zich vormt sneller is dan de snelheid waarmee het uit zijn baan beweegt, de aarde omringd zou worden door permanente gordels van rommel, een scenario dat nu bekend staat als het Kessler-syndroom.

Volgens sommige schattingen is het Kessler-syndroom al een realiteit geworden. In januari 2009 zorgde een botsing tussen de Iridium 33- en Cosmos 2251-satellieten voor precies dit soort cascade. Twee jaar eerder testte het Chinese leger een antisatellietwapen door een van zijn eigen satellieten genaamd Fengyun 1C te vernietigen. Beide incidenten vonden plaats op een hoogte van ongeveer 800 km.

Tegenwoordig cirkelt Envisat, de aardobservatiesatelliet van het Europees Ruimteagentschap, op ongeveer deze hoogte en wordt regelmatig bedreigd door mogelijke effecten. Meer dan 60 procent van deze bedreigingen is terug te voeren op de Iridium/Cosmos-botsing of het Fengyun-incident.

Maar hoewel ruimteafval de meeste ruimtevaartoperators bedreigt, hebben maar weinigen een echte prikkel om er iets aan te doen. Als er een significante dreiging ontstaat, is het meestal mogelijk om een ​​satelliet uit de weg te ruimen. Dat is veel goedkoper dan het daadwerkelijk opruimen van de rommel.

Het resultaat is een tragedie van de commons-situatie, waar een gemeenschappelijke hulpbron wordt uitgebuit tot het punt waarop het onbruikbaar wordt.

Dat is waar een overheidsinstantie als NASA om de hoek komt kijken. Er zijn verschillende ideeën geopperd voor het verwijderen van ruimteafval, de meeste enorm duur.

Tegenwoordig beschrijven James Mason van het NASA Ames Research Center in de buurt van Palo Alto en een paar vrienden een veel goedkopere optie. Hun idee is om afzonderlijke stukken rommel te zappen met een laser op de grond, waardoor ze worden vertraagd zodat ze uiteindelijk uit hun baan verdwijnen.

Natuurlijk is laserverwijdering niet helemaal nieuw. In de jaren negentig bestudeerde de Amerikaanse luchtmacht het idee, denkend dat een krachtig genoeg laser een object zou kunnen ablateren, waardoor een kracht kan worden gecreëerd die kan worden gebruikt om het uit zijn baan te halen. Het probleem met dit idee is dat zo'n krachtige laser een duidelijk tweeledig doel heeft, dat andere ruimtevarende landen waarschijnlijk niet zal behagen.

Dus hebben Mason en zijn vrienden de mogelijkheid bestudeerd om een ​​veel minder krachtig systeem te gebruiken dat alleen het momentum van fotonen gebruikt om de rommel te vertragen. Gefocust op een stuk rommel voor een uur of twee per dag, berekenden ze dat een laser van 5 KW de truc zou kunnen doen en dat zo'n apparaat tot tien objecten per dag zou kunnen aanpakken.

Dat zou kunnen helpen om rommel uit potentieel gevaarlijke banen te verwijderen en uiteindelijk volledig uit de baan te halen. In feite zeggen Mason en zijn collega's dat het systeem het Kessler-syndroom zou kunnen omkeren, zodat de snelheid waarmee het puin wordt verwijderd opnieuw groter is dan de snelheid waarmee ze worden gemaakt.

Ze zeggen dat hun systeem zelfs kan worden gebruikt voor het manoeuvreren met goed ontworpen satellieten, zonder dat ze drijfgas hoeven te dragen. Een dergelijk systeem zou als een commerciële onderneming op de markt kunnen worden gebracht, waardoor het kan worden betaald.

Niet dat het verschrikkelijk duur hoeft te zijn. Mason en co schatten dat een testapparaat een miljoen dollar zou kunnen opleveren, wat zou moeten worden gedeeld door veel ruimtevarende landen, om de onvermijdelijke juridische problemen te vermijden die het gebruik van een dergelijk apparaat zou veroorzaken.

Natuurlijk hebben de VS (en uiteraard China) al de technologie om dit soort werk te doen, met behulp van hun eigen antisatellietsystemen. Mason en co zeggen inderdaad dat het mogelijk kan zijn om een ​​demonstratie van bijna nul kosten uit te voeren met behulp van bestaande mogelijkheden, zoals die van de Starfire Optical Range op Kirtland AFB.

Het is slechts een kwestie van tijd voordat een stuk ruimteafval ernstige schade aanricht in een baan om de aarde, bijvoorbeeld door een bemande missie te bedreigen. Na zo'n incident zal er veel belangstelling zijn voor dit soort technologie. En dan vragen we ons af waarom we niet in de technologie hebben geïnvesteerd toen we de kans hadden om dit soort rampen te voorkomen.

Referentie: arxiv.org/abs/1103.1690 : Orbital Debris-Debris Collision Avoidance

Je kunt The Physics arXiv Blog nu volgen op Twitter

Correctie–15 maart 2011
Als reactie op dit bericht stuurde NASA Public Affairs Office het volgende:
James Mason, auteur van de Universities Space Research Association, wil graag een paar punten verduidelijkt hebben over de volgende zinnen:
1) Vandaag, James Mason bij NASA Ames Research Center in de buurt van Palo Alto en een paar maatjes...
James Mason is van de Universities Space Research Association (USRA). Het werk was een samenwerking tussen USRA, Stanford University en NASA Ames: Mason en Marshall worden gefinancierd door USRA. Stupl wordt gefinancierd door Stanford. Levit is een NASA-ambtenaar.
2) Gefocust op een stuk rommel voor een uur of twee per dag, berekenden ze dat een 5 KW laser het zou kunnen doen
De truc is om het object slechts een klein beetje te verplaatsen en zo een botsing te voorkomen. Het effect van deze laser zou veel te zwak zijn om het verval van de baan van het object snel te beïnvloeden. Om een ​​puinobject daadwerkelijk met een laser uit zijn baan te brengen, zijn krachten nodig die ongeveer 1.000 keer krachtiger zijn. Om het uiteindelijk volledig uit zijn baan te halen, zou ongeveer evenveel tijd nodig zijn als wanneer we het niet hadden verlicht - dit kan tientallen jaren duren, afhankelijk van het object.
3) Mason en co schatten dat een testapparaat een miljoen dollar kan opleveren
De laser alleen al zou ongeveer een miljoen dollar kosten (het is een commercieel verkrijgbare industriële laser). De werkelijke kosten van een besturingssysteem (inclusief telescoop, adaptieve optica enz.) zijn onduidelijk, maar zullen waarschijnlijk minstens tientallen miljoenen bedragen.
4) Natuurlijk hebben de VS (en uiteraard China) al de technologie om dit soort werk te doen, met behulp van hun eigen antisatellietsystemen. Mason en co zeggen inderdaad dat het mogelijk kan zijn om een ​​demonstratie van bijna nul kosten uit te voeren met behulp van bestaande mogelijkheden, zoals die van de Starfire Optical Range op Kirtland AFB.
antisatellietsystemen zijn mogelijk te sterk. De bestaande militaire technologie is waarschijnlijk vooral bedoeld voor (op dit moment) het volgen en afbeelden van andere satellieten. Het Directed Energy Directorate in Kirtland heeft waarschijnlijk het meeste van wat nodig is om een ​​technologiedemonstratie te doen, maar we benadrukken in de paper dat dit systeem moet worden uitgevoerd als een internationale samenwerking vanwege de duidelijke veiligheidsimplicaties.
Ook maakte Jan Stupl, ook een auteur van Stanford University, een opmerking over de volgende zin:
Hun idee is om afzonderlijke stukken rommel te zappen met een laser op de grond, waardoor ze worden vertraagd zodat ze uiteindelijk uit hun baan verdwijnen.
Ons stuk gaat over het vermijden van botsingen, niet over de-orbiting. Hetzelfde geldt voor de deadline: het gaat niet om het ‘verwijderen’ van ruimteafval, maar om het ‘verplaatsen’…

zich verstoppen