Ruimtepuin Paul Wesselius 11 april 2008. Ruimtepuin, lezing Hoorn, 11 april 20082 Inleiding •...

RuimtepuinRuimtepuin

Paul Wesselius Paul Wesselius

11 april 200811 april 2008

Ruimtepuin, lezing Hoorn, 11 april 2008 2

InleidingInleiding

• Ruimtereizen sinds 4 okt 1957 (Sputnik)Ruimtereizen sinds 4 okt 1957 (Sputnik)

• Nu (8 april 2008, CelesTrak site van Kelso)Nu (8 april 2008, CelesTrak site van Kelso)o 3237 werkende satellieten,3237 werkende satellieten,o 2766 dode satellieten,2766 dode satellieten,o 9589 ruimtepuin brokstukken met banen,9589 ruimtepuin brokstukken met banen,o 17157 ruimtepuin brokstukken verbrand in aardatmosfeer,17157 ruimtepuin brokstukken verbrand in aardatmosfeer,o Dus: van 15.592 objecten zijn de baanelementen bekendDus: van 15.592 objecten zijn de baanelementen bekend

• Space Surveillance Network (SSN) houdt alle brokstukken groter Space Surveillance Network (SSN) houdt alle brokstukken groter dan 10 cm diameter in de gaten met behulp van radar en dan 10 cm diameter in de gaten met behulp van radar en optische telescopen, op zo’n 25 plaatsen; ze volgen meer dan optische telescopen, op zo’n 25 plaatsen; ze volgen meer dan 8000 brokstukken vanuit Cheyenne Mountain Air Station; van 8000 brokstukken vanuit Cheyenne Mountain Air Station; van U.S Army, Navy en Air ForceU.S Army, Navy en Air Force


Space Surveillance Network takenSpace Surveillance Network taken

• Voorkom dat een naar de Aarde terugkerend brokstuk, dat door Voorkom dat een naar de Aarde terugkerend brokstuk, dat door de radar wordt herkend als mogelijke kruisraket, een vals alarm de radar wordt herkend als mogelijke kruisraket, een vals alarm crecreëert in de waarschuwingssystemen van de ëert in de waarschuwingssystemen van de U.S. en andere U.S. en andere landen; landen;

• Voorspel wanneer en waar een brokstuk gaat neerstorten;Voorspel wanneer en waar een brokstuk gaat neerstorten;• Breng de huidige positie van brokstukken in kaart en voorspel Breng de huidige positie van brokstukken in kaart en voorspel

hun toekomstige banen; hun toekomstige banen; • Vind nieuwe brokstukken van menselijke oorsprong in de Vind nieuwe brokstukken van menselijke oorsprong in de

ruimte; ruimte; • Maak een katalogus van zulk soort ruimtepuin; Maak een katalogus van zulk soort ruimtepuin; • Bepaal welk land eigenaar is van een neerstortend stuk Bepaal welk land eigenaar is van een neerstortend stuk

ruimtepuin; ruimtepuin; • Informeer NASA of ruimtepuin dreigt te botsen met de space Informeer NASA of ruimtepuin dreigt te botsen met de space

shuttle en de ISS. shuttle en de ISS.


Hun site noemt er 25 in plaats van 20


Alle ruimtepuin door SSN gekatalogiseerd

Aantal

objecten

Jaar

Sterke toename door uit de lucht schieten van Chinese raket


Ruimtepuin in lage banen, van 5 cm tot 2 mm


Hoe gevaarlijk is ruimtepuin?Hoe gevaarlijk is ruimtepuin?

• ESA geeft geregeld bulletins uit over de kans dat een ESA geeft geregeld bulletins uit over de kans dat een satelliet/voertuig geraakt wordt; NASA met name voor space satelliet/voertuig geraakt wordt; NASA met name voor space shuttle en International Space Station (ISS)shuttle en International Space Station (ISS)

• De space shuttle heeft reeds 7 keer een ‘avoidance manoeuvre’ De space shuttle heeft reeds 7 keer een ‘avoidance manoeuvre’ uitgevoerduitgevoerd

• B.v. op 15 dec 2001 veranderde het ISS zijn baan om een B.v. op 15 dec 2001 veranderde het ISS zijn baan om een russische rakettrap te vermijdenrussische rakettrap te vermijden

• De kans dat de laagvliegende Franse SPOT/HELIOS satellieten De kans dat de laagvliegende Franse SPOT/HELIOS satellieten worden geraakt wordt geregeld in de gaten gehouden en de worden geraakt wordt geregeld in de gaten gehouden en de baan wordt soms – tijdelijk – aangepast om botsingen te baan wordt soms – tijdelijk – aangepast om botsingen te vermijdenvermijden

• Er zijn een paar honderdduizend brokstukken > 1 cmEr zijn een paar honderdduizend brokstukken > 1 cm• Nauwelijks bescherming mogelijk tegen brokstukken > 1 cm!!Nauwelijks bescherming mogelijk tegen brokstukken > 1 cm!!

LEO = Low Earth Orbit, 200 – 2000 km hoogteGEO = Geosynchronous Earth Orbit, 35786 ± 1000 km hoogte


Shuttle beschadigingen door ruimtepuin, van 0,1 mm tot 1 cm


Verwachte toename ruimtepuin > 10 cmVerwachte toename ruimtepuin > 10 cm

Orbital Debris Quarterly News beschrijft verschillende scenario’s. ADR (= actieve verwijdering) begint in 2020. Er worden 5, 10 of 20 brokstukken per jaar verwijderd


Ruimtepuin in LEO


Ruimtepuin in GEO, equator zicht

Het ruimtepuin ten noorden van de equator bestaan vooral uit Russische satellieten en de brokstukken daarvan


Waarom Interessant?Waarom Interessant?

• Science Fiction, HamiltonScience Fiction, Hamilton• Vele planeten bewoond, piraterijVele planeten bewoond, piraterij• Sleep hele asteroSleep hele asteroïïde tot dichtbij planeet en blaas op met vele de tot dichtbij planeet en blaas op met vele

kernbommenkernbommen

planeet niet meer toegankelijk met ruimtevoertuigen van planeet niet meer toegankelijk met ruimtevoertuigen van buiten: geen ruimtevaart meer mogelijkbuiten: geen ruimtevaart meer mogelijk

• Wellicht daarom geen bezoekers van buiten op Aarde?Wellicht daarom geen bezoekers van buiten op Aarde?

• Waarschijnlijker: reizen naar zelfs dichtbijzijnde sterren valt niet Waarschijnlijker: reizen naar zelfs dichtbijzijnde sterren valt niet meemee

• Of: ‘intelligent’ leven zoals wij bestaat nergens; ander intelligent Of: ‘intelligent’ leven zoals wij bestaat nergens; ander intelligent leven herkennen we nietleven herkennen we niet

• Terug op Aarde: Ruimtepuin zal ruimtevaart heel lastig makenTerug op Aarde: Ruimtepuin zal ruimtevaart heel lastig maken


Wat is het Probleem?Wat is het Probleem?

• Veel satellieten en bemande ruimtevaart werken in LEO, Low Veel satellieten en bemande ruimtevaart werken in LEO, Low Earth Orbit, tussen 200 en 2000 km boven aardoppervlakEarth Orbit, tussen 200 en 2000 km boven aardoppervlak

• Een brokstuk op die hoogte raast in 1,5 uur rond de Aarde, Een brokstuk op die hoogte raast in 1,5 uur rond de Aarde, 40.000 km omtrek40.000 km omtrek

• 40.000/1,5 ≈ 2700 km/uur = 40.000/1,5 ≈ 2700 km/uur = 7,4 km/sec (!!) 7,4 km/sec (!!) • In de heel populaire GEO banen (Geosynchronous) 36.000 km In de heel populaire GEO banen (Geosynchronous) 36.000 km

boven de Aarde, draait een stuk ruimtepuin in 24 uur rond, zo’n boven de Aarde, draait een stuk ruimtepuin in 24 uur rond, zo’n brokstuk beweegt dus met brokstuk beweegt dus met 3 km/sec3 km/sec

• De dure TV satellieten aldaar kunnen door een 1 cm groot stuk De dure TV satellieten aldaar kunnen door een 1 cm groot stuk ruimtepuin uit de lucht gehaald worden!ruimtepuin uit de lucht gehaald worden!

• Brokstukken groter dan 1 cm kunnen vrijwel alle normale Brokstukken groter dan 1 cm kunnen vrijwel alle normale materialen geheel doorborenmaterialen geheel doorboren

• Zelfs stukjes afgebladderde verf van een mm of zo kunnen de Zelfs stukjes afgebladderde verf van een mm of zo kunnen de ramen van de shuttle behoorlijk beschadigenramen van de shuttle behoorlijk beschadigen


Foto’s van Beschadigingen door RuimtepuinFoto’s van Beschadigingen door Ruimtepuin

STS-7:ster in ‘t glasvan 2 mm

STS = Space Shuttle



HST’s antenneis geheeldoorboord!

HST = Hubble Space Telescope



Bij ‘EVA’ zien de astronautendiversebeschadigingen

EVA = Extravehicular activity = ‘ruimtewandeling’



De ‘Long Duration ExposureFacility’ (LDEF) vloog ruim vijf jaarin een lage baan en is teruggehaald door de shuttleColumbia in januari 1990.

De diverse panelen zaten vol metruimtepuin inslagen en hebben veel informatie opgeleverd.



Een paneel van LDEF.

De inslagen zijn goedte zien; vrijwel allemaal door ruimtepuin.


Grote stukken vallen soms op AardeGrote stukken vallen soms op Aarde

De hoofdbrandstoftankvan de 2e trap van een Delta 2 raket.

Deze landde bijGeorgetown in Texas.

De 250 kg tank vanroestvrij staal overleefde de val(te) goed!!



Van wederom een Delta 2 is de tweede trap neergekomen in Texas op 22 jan 1997:nu een 30 kg tank vantitanium.

Nog als nieuw (?!).



21 jan 01:Delta 2,3e trap, 70 kgtitanium landdein Saudi Arabië,70 km van Riyadh



Weer een tweede trap van een Delta 2!

Deze viel op 27 april 2000 in Zuid Afrika neer.

Er waren zelfs 3 brokstukken,verspreid over 100 km. Ze staan alledrie op de foto.


Kan het ook wat netter?Kan het ook wat netter?

• De Hubble Space Telescope vliegt op 569 km hoogte en zijn De Hubble Space Telescope vliegt op 569 km hoogte en zijn baan maakt een hoek van 28baan maakt een hoek van 28o o met de evenaarmet de evenaar

• Er zijn geen voorzieningen om veilig terug te vallen naar de Er zijn geen voorzieningen om veilig terug te vallen naar de AardeAarde

• Berekeningen tonen dat zo’n 98 stukken niet (geheel) zullen Berekeningen tonen dat zo’n 98 stukken niet (geheel) zullen verbrandenverbranden

• HST zal uit elkaar vallen op ongeveer 78 km hoogteHST zal uit elkaar vallen op ongeveer 78 km hoogte• Dat betekent 2055 kg over 1200 km lengteDat betekent 2055 kg over 1200 km lengte• De kans om een mens te raken wordt geschat op 1/700De kans om een mens te raken wordt geschat op 1/700

• Derhalve zal er waarschijnlijk rond 2021 een Derhalve zal er waarschijnlijk rond 2021 een voortstuwingsmodule aan HST vastgemaakt worden om dit wat voortstuwingsmodule aan HST vastgemaakt worden om dit wat meer in de hand te hebbenmeer in de hand te hebben


De Columbia ramp op 16 jan 2003 (STS-107)De Columbia ramp op 16 jan 2003 (STS-107)

• Voordat deze ramp plaatsvond zijn er minder dan 250 items Voordat deze ramp plaatsvond zijn er minder dan 250 items neergestort in meer dan 40 jaarneergestort in meer dan 40 jaar

• Columbia: 84.000 voorwerpen stortten neer in een gebied van Columbia: 84.000 voorwerpen stortten neer in een gebied van 40 bij 1000 km40 bij 1000 km

• Een stuk isolatiedeken dwarrelde inderdaad neer op een Een stuk isolatiedeken dwarrelde inderdaad neer op een persoon; deze werd in het geheel niet verwondpersoon; deze werd in het geheel niet verwond

• Hoewel twee shuttles bij lancering, resp. landing verongelukten Hoewel twee shuttles bij lancering, resp. landing verongelukten is het is het grootste shuttle gevaar ruimtepuingrootste shuttle gevaar ruimtepuin

• Een recente NASA ‘risk assessment’ heeft dit aangetoond. 11 Een recente NASA ‘risk assessment’ heeft dit aangetoond. 11 van de 20 potentivan de 20 potentiëële shuttle problemen zullen veroorzaakt le shuttle problemen zullen veroorzaakt worden door botsingen met stukken ruimtetroepworden door botsingen met stukken ruimtetroep

• Shuttle zal o.a. achterwaarts vliegen in zijn baan Shuttle zal o.a. achterwaarts vliegen in zijn baan • Er zijn ruimtepuin detectoren op de shuttle vleugelsEr zijn ruimtepuin detectoren op de shuttle vleugels• Bij aanmeren aan ISS bevindt shuttle zich achter de ISS Bij aanmeren aan ISS bevindt shuttle zich achter de ISS


Stukken van Columbia vallen neer in Zuid-USA


Radioactief RuimtepuinRadioactief Ruimtepuin

• Eerste satelliet met kern-reactor van USA in 1965Eerste satelliet met kern-reactor van USA in 1965• Tussen 1967 en 1988 lanceerde de USSR 31 Radar Ocean Tussen 1967 en 1988 lanceerde de USSR 31 Radar Ocean

Reconnaissance Satellites (RORSAT’s), die scheepsbewegingen Reconnaissance Satellites (RORSAT’s), die scheepsbewegingen bekijken vanaf 300 kmbekijken vanaf 300 km

• Deze worden aangedreven door een ‘Bork’ kern-reactorDeze worden aangedreven door een ‘Bork’ kern-reactor• Na hun ‘nuttige’ leven worden zulke satellieten geparkeerd in Na hun ‘nuttige’ leven worden zulke satellieten geparkeerd in

een baan op 900 kmeen baan op 900 km• In 1978 mislukte dat met Cosmos 954 en radioactief afval werd In 1978 mislukte dat met Cosmos 954 en radioactief afval werd

verspreid over Canadaverspreid over Canada• Daarna: uitwerpen van reactoren; dat proces beschadigde Daarna: uitwerpen van reactoren; dat proces beschadigde

koelpijpen waaruit de koelvloeistof natrium-kalium spootkoelpijpen waaruit de koelvloeistof natrium-kalium spoot

minstens 60.000 metaaldeeltjes groter dan 1 cm op 900 kmminstens 60.000 metaaldeeltjes groter dan 1 cm op 900 km• 53 van dergelijke radioactieve satellieten zijn nog in de ruimte 53 van dergelijke radioactieve satellieten zijn nog in de ruimte

in ~ 1000 km banen; vallen naar beneden in ~ 700 jaarin ~ 1000 km banen; vallen naar beneden in ~ 700 jaar


IADCIADC

• Er bestaat een Inter-Agency Space Debris Coordination Er bestaat een Inter-Agency Space Debris Coordination Committee (IADC)Committee (IADC)

• Daarin zitten ItaliDaarin zitten Italiëë, UK, Frankrijk, China, Duitsland, ESA, India, , UK, Frankrijk, China, Duitsland, ESA, India, Japan, NASA, Ukraine en RuslandJapan, NASA, Ukraine en Rusland

• De IADC stelt o.a. regels vast omtrent ruimtepuinDe IADC stelt o.a. regels vast omtrent ruimtepuin• Alle deelnemende landen houden zich – verheugend – goed aan Alle deelnemende landen houden zich – verheugend – goed aan

deze regelsdeze regels• Een paar IADC regels: Een paar IADC regels:

• De kans een mens te raken onder de 1/10.000 De kans een mens te raken onder de 1/10.000 • Satellieten in lage banen moeten binnen 25 jaar na Satellieten in lage banen moeten binnen 25 jaar na

bebeëëindigen missie terugvallen naar de aardeindigen missie terugvallen naar de aarde• Satellieten in GEO banen moeten na beSatellieten in GEO banen moeten na beëindigen missie ëindigen missie

minstens 200 km omhoog worden gebrachtminstens 200 km omhoog worden gebracht• Regels zijn bekrachtigd door UNRegels zijn bekrachtigd door UN


Communicatiesatelieten in GEOCommunicatiesatelieten in GEO

• Geostationaire banen: satelliet draait in 24 uur rond de AardeGeostationaire banen: satelliet draait in 24 uur rond de Aarde• Baan over Aardequator: continu contact met gewenste plaatsBaan over Aardequator: continu contact met gewenste plaats• 1240 objecten draaiden hun rondjes in GEO in januari 2005 1240 objecten draaiden hun rondjes in GEO in januari 2005

(recenter: http://planet4589.org/space/log/geo.date)(recenter: http://planet4589.org/space/log/geo.date)• De helft daarvan zijn ‘drifting’, ‘uncontrolled’ of ‘unidentified’; De helft daarvan zijn ‘drifting’, ‘uncontrolled’ of ‘unidentified’;

de rest is min of meer onder controlede rest is min of meer onder controle• 13 GEO satellieten stopten met werken in 2004:13 GEO satellieten stopten met werken in 2004:

o 5 daarvan zijn volgens de IADC regels op de juiste wijze 5 daarvan zijn volgens de IADC regels op de juiste wijze ‘geparkeerd’ ‘geparkeerd’

o 5 hebben een nieuwe, maar te lage baan gekregen5 hebben een nieuwe, maar te lage baan gekregeno 3 draaien gewoon nog steeds – nu ongecontroleerd - hun 3 draaien gewoon nog steeds – nu ongecontroleerd - hun

rondjesrondjes

• Dat GEO schoongehouden moet worden daar is iedereen het Dat GEO schoongehouden moet worden daar is iedereen het mee eensmee eens


Schoonmaken GEOSchoonmaken GEO


Een ‘wild’ Frans idee voor een ‘vacuum’ cleanerEen ‘wild’ Frans idee voor een ‘vacuum’ cleaner

• Gebruik een ATV als ‘jager’Gebruik een ATV als ‘jager’• Maak gebruik van ‘tether’ principe (zie verderop)Maak gebruik van ‘tether’ principe (zie verderop)• Franse schatting: 3 jaar R&D; 7 jaar ontwikkeling Franse schatting: 3 jaar R&D; 7 jaar ontwikkeling • Operaties zouden mogelijk zijn in 2015 – 2020Operaties zouden mogelijk zijn in 2015 – 2020• De eerste ATV-jager zou 250 M€ kosten De eerste ATV-jager zou 250 M€ kosten • De lanceerkosten worden geschat op 100 M€De lanceerkosten worden geschat op 100 M€• De operaties zijn begroot op 150 M€ (150 personen)De operaties zijn begroot op 150 M€ (150 personen) 500 M€ om 50 stukken groot ruimtepuin op te ruimen500 M€ om 50 stukken groot ruimtepuin op te ruimen• Toch zeer de moeite: als twee redelijk grote stukken botsen Toch zeer de moeite: als twee redelijk grote stukken botsen

levert dat direct duizenden kleine stukken oplevert dat direct duizenden kleine stukken op• Want: botsingsgebied smelt en stolt daarna in vele stukkenWant: botsingsgebied smelt en stolt daarna in vele stukken

ATV = Automatic Transfer Vehicle; ontwikkeld door ESA


Opruimen van Eurostar 2000Opruimen van Eurostar 2000

• Astrium heeft zijn telecom satelliet in GEO, de Eurostar 2000, Astrium heeft zijn telecom satelliet in GEO, de Eurostar 2000, op nette wijze in een hogere baan gebrachtop nette wijze in een hogere baan gebracht

• De operaties vonden plaats van 19 tot 24 juli 2003De operaties vonden plaats van 19 tot 24 juli 2003• Beoogde doel: in 4 stappen naar de hogere baanBeoogde doel: in 4 stappen naar de hogere baan• Daarna: reactiewiel ontladen; als die blijven spinnen kunnen ze Daarna: reactiewiel ontladen; als die blijven spinnen kunnen ze

op den duur uit de satelliet vliegenop den duur uit de satelliet vliegen• Het echt volledig stoppen van het complexe richtsysteem van Het echt volledig stoppen van het complexe richtsysteem van

de satelliet is heel lastig, o.a. door de fallback opties de satelliet is heel lastig, o.a. door de fallback opties • Resultaat: 254 km hoger, in 19 manoeuvresResultaat: 254 km hoger, in 19 manoeuvres• Twee tanks zijn toen geleegd en de satelliet is uitgeschakeldTwee tanks zijn toen geleegd en de satelliet is uitgeschakeld• De fotondruk van de zonnestraling vergroot die hoogte: na 6 De fotondruk van de zonnestraling vergroot die hoogte: na 6

maanden 7 km er bijmaanden 7 km er bij


Artist’s view van Eurostar 2000Artist’s view van Eurostar 2000


Lange touwen in de ruimte, ‘Space Tethers’Lange touwen in de ruimte, ‘Space Tethers’

• Tether met twee gewichten aan uiteinden beweegt in een baan Tether met twee gewichten aan uiteinden beweegt in een baan van zijn massacentrum van zijn massacentrum o Bovenste massa beweegt sneller dan normaal op die hoogte,Bovenste massa beweegt sneller dan normaal op die hoogte,o Onderste massa beweegt langzamerOnderste massa beweegt langzamer

• De Franse ‘ATV-jager’ maakt tether vast aan brokstuk er onder De Franse ‘ATV-jager’ maakt tether vast aan brokstuk er onder brokstuk vertraagt, ATV-jager versnelt brokstuk vertraagt, ATV-jager versnelt

• Daarna tether ‘doorsnijden’ Daarna tether ‘doorsnijden’ • Brokstuk zakt in lagere baanBrokstuk zakt in lagere baan• ATV-jager gaat omhoogATV-jager gaat omhoog

• Kabels van paar km lengte: electrodynamisch of passiefKabels van paar km lengte: electrodynamisch of passief• Ruimtepuin kan tethers doorsnijden Ruimtepuin kan tethers doorsnijden dubbele tether lijnen dubbele tether lijnen

met veel knopen met veel knopen • Langs touw tussen Aarde en tegenwicht op grote hoogte kan Langs touw tussen Aarde en tegenwicht op grote hoogte kan

een lift omhoog gaan: centrifugaalkracht neemt wel steeds toeeen lift omhoog gaan: centrifugaalkracht neemt wel steeds toe


Hyper snelheids testsHyper snelheids testsMet 3,2 km/sec een kogeltje afvuren doormeshes naar een wand.Russen uit Moskou leven zich uit!


SPACE SURVEILLANCE IN EUROPE


Laatste nieuwsbriefLaatste nieuwsbrief

• Net vandaag een nieuwe Orbital Debris nieuwsbriefNet vandaag een nieuwe Orbital Debris nieuwsbrief• Er zijn 6 satellieten in stukken gebroken, maar allen op lage Er zijn 6 satellieten in stukken gebroken, maar allen op lage

hoogte: de stukken zullen snel in de atmosfeer verbrandenhoogte: de stukken zullen snel in de atmosfeer verbranden• 14e editie van 14e editie van History of On-Orbit Satellite Fragmentations is

uit: 194 begrepen uiteenvallen-in-stukken en 51 anomale gebeurtenissen met ruimte objecten

• Nader onderzoek van brokstukken van de Chinese Fengyun-1C, die op 11 januari 2007 kapotgeschoten werd door de Chinezen

• ORDEM 2008 is te verkrijgen: een programma dat de aanwezigheid van ruimtepuin voorspelt

• Op 2 april 2008 waren er:o 3135 satellieteno 9502 raket delen en ruimtepuin


Objecten waargenomen doorUS SSN, 17 mrt 08Objecten waargenomen doorUS SSN, 17 mrt 08

Hoogte (km)

Objecten per km2

Ruimtepuin Paul Wesselius 11 april 2008. Ruimtepuin, lezing Hoorn, 11 april 20082 Inleiding •...

Documents

Transcript of Ruimtepuin Paul Wesselius 11 april 2008. Ruimtepuin, lezing Hoorn, 11 april 20082 Inleiding •...