Het probleem van ruimtevervuiling is een punt van zorg voor de hele luchtvaartgemeenschap. Dergelijke hypothetische ontwikkelingen in een lage baan om de aarde, zoals het Kessler-syndroom, dat de vorming van uit de hand gelopen ruimtepuin voorspelt, heeft zelfs de populaire media in beroering gebracht. Het is duidelijk dat er fundamenteel onderzoek nodig is om te begrijpen welk gevaar zelfs een klein fragment met zich meebrengt, en om te berekenen hoeveel we bereid zijn te betalen om de ruimte op te ruimen.
Tegenwoordig zijn politici, wetenschappers, technici en het grote publiek zich terdege bewust van de proliferatie van ruimteschroot. Dankzij het fundamentele werk van J-K. Liouville en Nicholas Johnson, gepubliceerd in 2006, begrijpen we dat de hoeveelheid afval in de toekomst waarschijnlijk zal blijven stijgen, zelfs als alle lanceringen worden stopgezet. De reden voor deze aanhoudende groei zijn de botsingen die naar verwachting zullen plaatsvinden tussen satellieten en rakettrappen die zich al in een baan om de aarde bevinden. Dit is een grote zorg voor veel satellietexploitanten, die gedwongen zijn passende maatregelen te nemen om hun activa te beschermen.
Sommige deskundigen zijn van mening dat deze incidenten slechts het begin zullen zijn van een reeks botsingen die het bijna onmogelijk maken om toegang te krijgen tot een lage baan om de aarde. Dit fenomeen, dat voor het eerst in detail werd beschreven door NASA-adviseur Donald Kessler, wordt gewoonlijk het Kessler-syndroom genoemd. Maar de realiteit zal waarschijnlijk heel anders zijn dan vergelijkbare voorspellingen of gebeurtenissen die worden getoond in de speelfilm "Gravity". De resultaten die tijdens de zesde Europese conferentie over dit onderwerp aan het Inter-Agency Space Debris Coordination Committee (IADC) werden gepresenteerd, wezen op een verwachte toename van het puin van slechts 30 procent over 200 jaar met continue lanceringen.
Er zullen nog steeds botsingen plaatsvinden, maar de realiteit zal verre van het catastrofale scenario zijn dat sommigen vrezen. De groei van de hoeveelheid ruimteschroot kan worden teruggebracht tot een vrij bescheiden niveau. Het IADC-voorstel is om de richtlijnen voor de beperking van ruimteafval op grote schaal te verspreiden en zich er strikt aan te houden, vooral met betrekking tot de neutralisatie van energiebronnen, die aan het einde van de vlucht volledig ontwikkeld moeten zijn, en de verwijdering na het einde van de vlucht. Desalniettemin vereist de verwachte toename van de hoeveelheid afval, ondanks de aanhoudende inspanningen, vanuit het oogpunt van de IADC nog steeds de introductie van aanvullende maatregelen om de bestaande risicofactoren te bestrijden.
Geen vooruitgang?
Negen jaar na de publicatie van het werk van Liouville en Johnson werd aanzienlijke belangstelling voor de terugwinning van de ruimteomgeving opgemerkt. Met name zijn er over de hele wereld stappen ondernomen om methoden te ontwikkelen om objecten uit een lage baan om de aarde te verwijderen. Zo maakte de European Space Agency onlangs bekend dat het voornemens is om overheidssteun te krijgen voor de lancering van een Europees ruimtevaartuig in het komende decennium. Het bureau heeft talloze onderzoeken uitgevoerd om rationele en betrouwbare manieren te vinden om het doel te bereiken. Een belangrijk onderdeel van de planning waren computermodellen van de puinruimte, waaruit bleek dat de groei van puin kon worden voorkomen door specifieke ruimtevaartuigen of rakettrappen te verwijderen. In computersimulaties worden deze objecten geïdentificeerd als het meest vatbaar voor botsingen, dus nadat ze uit een baan zijn verwijderd, zou het aantal botsingen sterk moeten afnemen, wat het verschijnen van nieuw puin als gevolg van de verstrooiing van puin zal voorkomen.
Er zijn bijna tien jaar verstreken sinds de publicatie van het werk van Liouville en Johnson, en het is verrassend dat er op internationaal of nationaal niveau geen methodologische principes zijn die duidelijk maatregelen definiëren om de gevolgen van vervuiling van de nabije aarde te elimineren. Er lijkt enige apathie te bestaan over het ontwikkelen van een procedure voor het verwijderen van afval, ondanks oproepen tot actie. Maar is het echt zo?
In feite is de situatie niet zo eenvoudig als het lijkt. Wat betreft de procedure voor het verwijderen van ruimteschroot, zijn er enkele fundamentele vragen die nog moeten worden beantwoord. Van bijzonder belang zijn kwesties in verband met eigendom, verantwoordingsplicht en transparantie. Veel van de technologieën die worden aangeboden voor het verwijderen van puin kunnen bijvoorbeeld ook worden gebruikt om een actief ruimtevaartuig te verwijderen of uit te schakelen. Daarom kan men beschuldigingen verwachten dat deze technologieën wapens zijn. Er zijn ook vragen over de kosten van een consistent afvalverwijderingsprogramma. Sommige technici schatten het op tientallen biljoenen dollars.
Maar misschien wel de belangrijkste reden voor het ontbreken van adequate methodologische principes ligt in het feit dat we nog niet weten hoe we de ontginning moeten uitvoeren, waarmee we in de praktijk de zuivering van de ruimte bedoelen. Maar dit betekent niet dat we niet weten welke technologieën we nodig hebben.
Algoritmen voor eenmalig gebruik zijn al praktisch ontwikkeld. Het echte probleem komt voort uit een schijnbaar eenvoudige taak: het bepalen van het "juiste" puin dat uit een baan moet worden verwijderd. En totdat we dit probleem kunnen oplossen, lijkt het erop dat we geen ruimte kunnen terugwinnen.
Wrak spelen
Om de problematische aard van het oplossen van zo'n schijnbaar eenvoudige taak als het identificeren van afval dat moet worden verwijderd te realiseren, gebruiken we de analogie van een spel met een stapel van 52 gewone speelkaarten. In deze analogie vertegenwoordigt elke kaart een object in de ruimte dat we misschien willen verwijderen om een botsing te voorkomen. Nadat de kaarten zijn gedeeld, leggen we elke kaart afzonderlijk met de afbeelding naar beneden op tafel. Ons doel is nu om te proberen de azen te identificeren en ze van de tafel te verwijderen, aangezien deze kaarten satellieten of andere grote objecten van ruimteschroot voorstellen die op een bepaald moment in de toekomst deelnemers aan de botsing kunnen worden. We kunnen zoveel kaarten van de tafel halen als we willen, maar telkens als we één kaart verwijderen, moeten we $ 10 betalen. Bovendien hebben we, terwijl we weggaan, niet het recht om naar de kaart te kijken (als een satelliet uit een baan wordt verwijderd, kunnen we niet met zekerheid zeggen wat hij precies een deelnemer aan de botsing zou kunnen worden). Ten slotte moeten we $ 100 betalen voor elke aas die op tafel blijft liggen, wat de potentiële verliezen vertegenwoordigt als gevolg van botsingen waarbij onze satellieten zijn betrokken (in werkelijkheid kunnen de kosten voor het vervangen van een satelliet variëren van $ 100.000 tot $ 2 miljard).
Welnu, hoe kunnen we dit probleem oplossen? Op de achterkant zijn alle kaarten hetzelfde, dus er is geen manier om te zeggen waar de azen zijn, en de enige manier om er zeker van te zijn dat we alle azen hebben gewist, is door alle kaarten van de tafel te verwijderen. In ons voorbeeld kost dit maximaal $ 520. In de ruimte hebben we hetzelfde probleem: we weten niet precies welke objecten bij botsingen betrokken kunnen zijn, maar het is te duur om ze allemaal te verwijderen, dus we moeten kiezen. Laten we aannemen dat we een keuze hebben gemaakt: om één kaart ter waarde van $ 10 te verwijderen, hoe groot is de kans dat we een aas hebben verwijderd? Welnu, de kans dat de kaart een aas is, is vier deelbaar door 52, met andere woorden ruwweg 0, 08 of 8 procent. De kans dat de kaart geen aas is, is dus 92 procent. Dit is de kans dat we onze $ 10 hebben verspild.
Wat gebeurt er als we deze keer een tweede kaart nemen (die ons nog eens $ 10 kost)? De kans dat de tweede kaart een aas is, hangt af van het feit of de eerste kaart een aas was. Als dit het geval zou zijn, dan is de kans dat de tweede kaart ook een aas is drie gedeeld door 51 (omdat er nu nog maar drie azen in de stapel zitten, wat met één kaart is afgenomen). Als de eerste kaart geen aas is, dan is de kans dat de tweede kaart een aas is vier gedeeld door 51 (omdat er nog vier azen in het kleinere kaartspel zitten).
We kunnen deze methode gebruiken om de waarschijnlijkheid te bepalen dat we beide azen hebben verwijderd - we vermenigvuldigen gewoon de kansen om het antwoord te vinden: 4/52 keer 3/51, wat ons een kans geeft van 0,0045 of 0,45 procent ter waarde van $ 20 per twee kaarten VERWIJDERD. Niet erg bemoedigend.
We kunnen echter ook de waarschijnlijkheid bepalen om ten minste één van de azen te verwijderen. Na het trekken van twee kaarten is er een kans van 15 procent dat we met succes ten minste één van de azen hebben verwijderd. Dit klinkt veelbelovend, maar de kansen zijn nu ook niet al te best.
Het blijkt dat om de kans op het trekken van ten minste één van de azen te vergroten, we meer dan negen kaarten (ter waarde van $ 90) of meer dan 22 kaarten (ter waarde van $ 220) moeten verwijderen als we 90 procent zeker willen zijn dat we een van de azen hebben verwijderd. Zelfs als het ons lukt, liggen er nog drie azen op tafel, dus in totaal moeten we nog $ 520 betalen, wat toevallig hetzelfde bedrag is dat we hadden moeten betalen als we voor de optie hadden gekozen met het verwijderen van alle kaarten.
De spellen zijn voorbij
Terugkerend van onze analogie naar de echte ruimteomgeving, lijkt de situatie alarmerender te zijn. Momenteel worden ongeveer 20.000 objecten in een baan om de aarde gevolgd met behulp van het Amerikaanse netwerk van ruimteobservatiestations, waarbij ongeveer zes procent van deze objecten meer dan een ton weegt, die hypothetisch zouden kunnen deelnemen aan een botsing en die we misschien willen verwijderen. … In de kaartanalogie is ons probleem dat de achterkant van alle kaarten hetzelfde is en dat de kans dat de ene een schoppenaas is hetzelfde is als de kans dat de andere ook een aas is. Er is geen manier om de gewenste kaarten te identificeren en ze van de tafel te verwijderen. In werkelijkheid zijn onze kansen om een botsing te vermijden veel groter dan in een kaartspel, omdat we in een baan om de aarde kunnen zien hoe waarschijnlijk het is dat sommige objecten bij botsingen betrokken zijn en we onze aandacht daarop kunnen richten. Objecten die zich in dichtbevolkte banen zoals heliosynchronous op hoogten tussen 600 en 900 kilometer bevinden, zijn bijvoorbeeld het meest waarschijnlijk betrokken bij botsingen als gevolg van congestie in deze zone. Als we onze aandacht richten op vergelijkbare objecten (en anderen op vergelijkbare overbelaste banen) en rekening houden met de voorspellingen van de mogelijkheid van hun botsing, blijkt dat we ongeveer 50 objecten moeten verwijderen om het verwachte aantal catastrofale botsingen te verminderen door slechts één eenheid, die volgt uit de onderzoeksresultaten van leden van de IADC-ruimtevaartorganisatie.
En het blijkt dat zelfs als meerdere objecten kunnen worden verwijderd door een enkel schoner ruimtevaartuig (en vijf doelen een veelzijdig alternatief lijken te zijn), veel vluchten - vaak uitdagend en ambitieus - slechts hoeven te worden ondernomen om één botsing te voorkomen.
Waarom zijn we niet in staat om de kans op botsingen nauwkeuriger te voorspellen en alleen die objecten te verwijderen waarvan we zeker weten dat ze gevaarlijk zullen zijn? Er zijn veel parameters die het traject van een satelliet kunnen beïnvloeden, inclusief de oriëntatie van de satelliet, of het nu gaat om grillige bewegingen of ruimteweer (wat de weerstand van satellieten kan beïnvloeden). Zelfs kleine fouten in de beginwaarden kunnen leiden tot grote verschillen in de resultaten van het berekenen van de positie van de satelliet in vergelijking met de werkelijkheid, en na een relatief korte periode. In feite gebruiken we dezelfde techniek als voorspellers: we gebruiken modellen om de kans op specifieke resultaten te genereren, maar niet het feit dat deze resultaten ooit zullen worden verkregen.
We hebben dus technologieën die af en toe kunnen worden gebruikt om ruimtepuin te verwijderen. Dit is het standpunt van de European Space Agency met hun geplande missie e. Deorbit, maar er zijn nog steeds problemen die moeten worden opgelost om de meest geschikte objecten voor verwijdering te identificeren. Deze problemen moeten worden aangepakt voordat de nodige richtlijnen en methodologische principes beschikbaar kunnen worden gesteld aan diegenen die geïnteresseerd zijn in het opstellen van een programma voor het op lange termijn verwijderen van ruimteschroot dat essentieel is voor effectieve milieusanering.
Methodologische principes in termen van specifieke locaties, hun aantal, vereisten en beperkingen zijn essentieel om de kans te vergroten dat inspanningen om het milieu te saneren effectief en de moeite waard zijn. Om dergelijke methodologische principes te ontwikkelen, moeten we onze onredelijke verwachtingen van een gunstig resultaat heroverwegen.
