Stortregens van afgedankte satellieten laten sporen na in de aardse atmosfeer

Vanuit een vliegtuigraampje gezien leek het wel op vuurwerk, maar dan van een soort die niet na seconden opgebrand is: kleurige, fel oplichtende strepen bleven maar doorschieten tegen een donkerblauwe hemel. Talloze passagiers filmden op 6 maart de gloeiend hete neerstortende brokstukken van de achtste testvlucht van Starship, de gigantische raket van SpaceX.

Kort na de lancering explodeerde de tweede rakettrap, en de brokstukken stortten neer in de buurt van de Bahama’s in de Atlantische Oceaan. Vliegtuigen moesten hun koers verleggen om uit de buurt te blijven van de gloeiende stukken staal die met duizenden kilometers per uur door de hemel schoten.

De ruimtevaart groeit explosief – ook als er niets misgaat bij de lancering. In 2024 werden er 258 raketten naar een baan om de aarde gelanceerd, gemiddeld elke weekdag eentje, tegen 90 in 2014. Samen brachten die 2.849 vrachten naar de ruimte, vooral satellieten. Vooral Starlink groeit hard, SpaceX’ satellietnetwerk van inmiddels ruim achtduizend satellieten, maar ook rivalen als China en de Europese ruimtevaartorganisatie ESA bouwen aan ‘megaconstellaties’ van satellieten.

Voor veel aardbewoners brengt ruimtevaart voordelen, of in ieder geval technologie waar de maatschappij nog maar moeilijk buiten kan: navigatie, weersvoorspellingen, communicatie voor televisie, internet en telefoonverkeer. Defensie, de financiële wereld, hulpverlening en wetenschap – om maar een paar sectoren te noemen.

Gemiddeld wordt er elke drie tot vier uur een satelliet gelanceerd

Maar met de groeiende aantallen worden ook negatieve, soms onverwachte, gevolgen van ruimtevaart steeds merkbaarder. In maart 2024 knalde een stuk metaal van 700 gram door het dak van het huis van Alejandro Otero in het stadje Naples in Florida. Het was het overblijfsel van een onderdeel van 5.800 kg dat even daarvoor gedumpt was vanuit het internationaal ruimtestation ISS. Dat had moeten verbranden in de atmosfeer, maar dat was blijkbaar toch niet helemaal gebeurd.

En op 19 februari dit jaar vielen vier brokstukken neer van de tweede trap van een Falcon 9-raket. Dat gebeurde in de buurt van de stad Poznan in Polen, onder andere op het terrein van een elektronicazaak. Er vielen geen slachtoffers (behalve dan de directeur van het Poolse ruimtevaartagentschap Polsa, die ontslagen werd omdat de melding naar het verkeerde e-mailadres van het ministerie van Defensie was gestuurd).

Ernstige ongevallen

„Gemiddeld wordt er elke drie tot vier uur een satelliet gelanceerd [vaak vele satellieten tegelijk], en is er een keer per dag een re-entry”, zei Joseph Aschbacher, de directeur van de Europese ruimtevaartorganisatie ESA, op 1 april tijdens de opening van het negende Internationale Congres over Ruimtepuin in Bonn. De kans op ernstige ongevallen groeit. Op diezelfde conferentie presenteerde Carmen Pardini van het Italiaanse onderzoeksinstituut ISTI-CNR berekeningen daarover. Achteraf berekend was in het jaar 2010 de kans 0,72 procent dat ergens op aarde iemand gewond zou raken of sterven, maar in 2022 was dat al 2,85 procent. Ook stijgt het risico voor de luchtvaart: in 2030 is de kans 1 op 200 dat er ergens een vliegtuig fataal wordt getroffen.

Zijn dat alleen nog kansen, zekerheid is er al voor astronomen, die op hun opnamen van de sterrenhemel steeds vaker strepen moeten wegpoetsen van Starlink- of andere satellieten die de foto’s verprutsen. Radioastronomen maken zich zorgen over storende radiosignalen. En in 2017 zagen Chinese astronomen het licht dat opflakkerde van een oude Russische rakettrap aan voor een supernova. Hun publicatie kon de prullenbak in.

Zekerheid is er ook over het gedeelte van de terugstortende satellieten dat niet op aarde neervalt: dat komt in de atmosfeer terecht. „We weten eigenlijk niet zo veel over wat de gevolgen zijn in termen van de natuurkunde en chemie in de mesosfeer”, zegt onderzoeker -José Ferreira van de University of California in Los Angeles. De mesosfeer is de luchtlaag tussen 50 en 90 kilometer hoogte, waar satellieten en rakettrappen verbranden.

Ruimtevaartuigen bestaan voor een groot deel uit metaal, vaak aluminium. Bij de re-entry, met snelheden van duizenden kilometers per uur, bereiken ze temperaturen boven de duizend graden. De zonnepanelen, printplaten, het metalen geraamte en alle onderdelen smelten, verbranden en verdampen. Zo’n re-entry werd altijd gezien al een gemakkelijke manier om van gebruikte ruimtespullen af te komen.

Ferreira, die lucht- en ruimtevaart studeerde aan de TU Delft, maakt zich zorgen over de gevolgen. Samen met collega’s simuleerde hij het verbranden van een doorsnee satelliet van 250 kilogram, die door die ijle luchtlaag naar beneden raast. Eén satelliet levert zo 30 kilogram aan nanodeeltjes van aluminiumoxide, concludeerden de onderzoekers in een artikel in het aardwetenschappenvakblad Geophysical Research Letters. Met de groei van megaconstellaties kan dat oplopen tot 360 ton aluminiumoxide per jaar die in de atmosfeer terechtkomt.

En inderdaad zijn er nu al ruimtevaartmetalen terug te vinden in de atmosfeer. Onderzoekers van het Amerikaanse meteorologie-instituut NOAA publiceerden in 2023 de resultaten van een meetcampagne met onbemande vliegtuigen in het vakblad PNAS: 10 procent van de zwavelzuurdeeltjes in de atmosfeer, vooral uitgestoten door vulkanen, bevatten ook metalen als aluminium, koper en lithium, in ongeveer dezelfde verhouding als waarin ze in de ruimtevaart gebruikt worden.

Aantasting van de ozonlaag

Mogelijk draagt dat aluminiumoxide bij aan de aantasting van de ozonlaag, de laag van O₃-moleculen tussen 30 en 50 kilometer hoogte, die schadelijke ultraviolette straling van de zon tegenhoudt. In de jaren tachtig ontdekten onderzoekers dat chloorfluorkoolwaterstoffen (cfk’s) uit koelinstallaties in de atmosfeer terechtkomen, en daar de ozonlaag aantasten. Dankzij het Montréal-protocol, een serie afspraken om deze uitstoot terug te dringen, is het gat in de ozonlaag zich nu aan het herstellen.

„Het oppervlak van het aluminiumoxide werkt als een katalysator”, zegt Ferreira. Het activeert het chloor, afkomstig van de cfk’s die nog altijd ruim aanwezig zijn, maar ook van druppeltjes zeewater, dat zeezout ofwel natriumchloride bevat, zodat extra ozon aangetast wordt.

De afmetingen van de deeltjes spelen een grote rol, zegt Ferreira. „We voerden een molecular dynamics-simulatie uit, waarbij je niet alleen de chemie maar ook de natuurkunde doorrekent.” Door de hoge snelheid smelt en oxideert het aluminium niet alleen tot aluminiumoxide, maar wordt het vermalen tot deeltjes met afmetingen van nanometers (een nanometer is een miljoenste millimeter).

„Wij hadden eerder micrometers verwacht”, zegt Ferreira. Met de kleinere afmetingen wordt het reactieoppervlak van de deeltjes groter, en daarmee de reactie actiever. Maar ook vallen zulke kleine deeltjes trager terug naar de aarde. „Het kan wel tientallen jaren duren voordat ze afdalen naar de ozonlaag, zodat we het pas merken als het te laat is.”

Daarnaast kunnen aluminiumoxide- en andere metaaldeeltjes zonlicht reflecteren of tegenhouden. Dat kan leiden tot afkoelen van lagere luchtlagen – de deeltjes houden zonlicht tegen – maar ze kunnen ook terugkaatsende straling van de aarde reflecteren, wat juist tot opwarming leidt. „Het kan beide kanten opgaan, dat is nog niet duidelijk”, zegt Ferreira, „het is eigenlijk onbedoelde geo-engineering”.

Re-entry is eigenlijk de enige manier om van satellieten af te komen

„Aluminiumoxide is een nieuw onderwerp in dit onderzoek, maar voor zover bekend is het effect nog tamelijk klein”, nuanceert Connor Barker, atmosfeeronderzoeker aan University College London. Samen met collega’s onderzocht hij de effecten van roet en stikstofoxide die door ruimtevaart in de hoge atmosfeer gebracht worden.

Roet ontstaat als raketbrandstoffen zoals kerosine of methaan verbranden tijdens de lancering. Een klein gedeelte verbrandt niet volledig, en geeft zwarte koolstofhoudende deeltjes. Die absorberen zonlicht, maar ook hier is nog niet duidelijk of het netto-effect op aarde afkoelend of opwarmend is, zegt Barker. De hoeveelheden vallen in het niet bij roetuitstoot door auto’s of fabrieken, maar door de grote hoogte en de lange verblijftijd kan het opwarmende effect van het ruimteroet 500 keer zo sterk worden.

Stikstofoxide ontstaat door de hitte van een re-entry: daardoor reageert stikstof in de lucht met zuurstof. Stikstofoxide in de hoge atmosfeer kan ook ozon wegvreten, zegt Barker: „Ongeveer de helft van de ozonaantasting door ruimtevaart is door stikstofoxide, ongeveer de helft van chloor uit vastebrandstofraketten, en dan ongeveer 1 procent van aluminiumoxide.” Volgens berekeningen van Barkers groep zouden deze effecten op den duur het ingezette herstel van de ozonlaag teniet kunnen doen.

Ruimtepuin is acuter probleem

Tegenmaatregelen zijn lastig te bedenken, behalve het terugschroeven van de aantallen. „Re-entry is eigenlijk de enige manier om van satellieten af te komen”, zegt Ferreira. Het opbranden van satellieten en rakettrappen is bovendien juist gewenst als oplossing voor dat andere, acutere ruimtevaartprobleem: ruimtepuin.

Rond de aarde zweven honderdduizenden kapotte satellieten, afgedankte rakettrappen en brokstukken van geëxplodeerde of gebotste ruimtevaartuigen. Regelmatig moeten satellieten en ook het internationaal ruimtestation ISS uitwijken. In 2024 waren er meer dan 24.000 van zulke collision avoidance maneuvers. Sommige satellietbanen dreigen onbruikbaar te worden.

Over dit probleem ging de conferentie in Bonn dan ook eigenlijk. Er waren presentaties over ruimtevaartuigen die afgedankte satellieten met octopusachtige grijpers uit hun baan plukken en naar de aarde afstorten. Maar ook beleidsmaatregelen waarbij alle rakettrappen en satellieten binnen vijf jaar na gebruik zelf een gecontroleerde re-entry moeten maken boven een leeg stuk oceaan. Eerst was deze periode nog 25 jaar, maar ruimtevaartorganisatie ESA mikt inmiddels op afspraken om dit terug te brengen naar één jaar.

Maar intussen zijn er nog wel veel vragen over de gevolgen van re-entries voor de atmosfeer, zegt Barker: „We weten bijvoorbeeld niet precies wat er met de roet- en aluminiumdeeltjes gebeurt”, zegt Barker. De resultaten van de meetcampagne met vliegtuigen wijzen erop dat ze samenklonteren met sulfaatdeeltjes, wat de effecten en ook de verblijfstijden in de atmosfeer kan beïnvloeden. Om dit beter te begrijpen zijn meetcampagnes in de atmosfeer nodig, zegt Ferreira. „Maar ook proeven met satellietmodellen in windtunnels waarbij én de snelheid én de temperatuur hoog opgevoerd kunnen worden.”

Ook het onderzoeken van échte re-entries hoort erbij, al is het een behoorlijke stap van toevallig waarnemen uit een vliegtuig naar opzettelijk betrappen. In augustus 2024 reisden tientallen wetenschappers in een vliegtuig naar een plek boven de Stille Oceaan om van dichtbij opnames te maken van de re-entry van de Europese onderzoekssatelliet Salsa. Vanuit het vliegtuigraampje zagen ze een oplichtend stipje, dat werd gefilmd met spectrometers, om de verschillende chemische bestanddelen te kunnen analyseren. Ook hiervan werden de eerste resultaten in Bonn besproken.

Barker: „Onderzoek naar gevolgen voor de atmosfeer staat echt nog in de kinderschoenen, maar de ruimtevaart groeit nu extreem snel. We moeten snel zijn met het begrijpen van deze effecten, voordat het eigenlijk te laat is.”

Satellieten weerkaatsen het zonlicht in de nachtelijke hemel boven Canada (51° noorderbreedte), juni 2024. Het beeld is een combinatie van 560 opnames van twee seconden met een pauze van één seconde. Elk spoor lijkt daardoor op een stippellijn. Foto Getty Images

Delen





Mail de redactie