Nicholas Dallmann is onderzoeksingenieur bij het Los Alamos National Laboratory, een faciliteit van het Amerikaanse ministerie van Energie. Hij heeft dit artikel geschreven voor Space.com’s Expert Voices: Op-Ed & Insights. Het project dat hij beschrijft wordt gefinancierd door Los Alamos Laboratory Directed Research and Development.
In de film “Gravity” uit 2013 werd Sandra Bullock bijna gedood door ruimteafval. Hoewel dat verhaal zeer zeker fictie was (en sensationele fictie op dat), is de dreiging van ruimtejunk echt – zo echt dat NASA een heel kantoor heeft gewijd aan het opsporen en beperken ervan. En vorig jaar was er de eerste internationale conferentie die zich volledig richtte op ruimteafval.
Er is een goede reden om bezorgd te zijn. Momenteel draaien ongeveer 2.000 operationele satellieten in een baan om de aarde – om nog maar te zwijgen van 3.000 niet-operationele satellieten – en dat aantal zal naar verwachting explosief stijgen. Dit jaar staan er meer dan 1 500 satellieten op de planning voor lancering. (Vergelijk dit met 2018, toen slechts 365 werden gelanceerd.)
Relatie: Space junk uitgelegd: The orbital debris threat (infographic)
Space is misschien groot, maar het wordt steeds drukker, en dat is een echt probleem. Low Earth Orbit, of LEO, waar de meeste satellieten reizen, is een natuurlijke hulpbron. En net als andere natuurlijke bronnen, moeten we het zorgvuldig beheren. Het enige wat nodig is voor een paar satellieten om te botsen om het Kessler effect aan te wakkeren: een op hol geslagen kettingreactie waarbij meer puin leidt tot meer botsingen, die niet alleen vrijwel elk ruimtevaartuig in LEO kunnen beschadigen of vernietigen, maar dat deel van de ruimte voor decennia onbruikbaar kunnen maken.
Maar wat als je satellieten op een ramkoers uit de gevarenzone zou kunnen manoeuvreren? Geloof het of niet, maar dat is niet makkelijk. De meeste satellieten die naar LEO worden gestuurd – vooral kleine satellieten en kubussatellieten – hebben geen voortstuwingssysteem omdat ze zwaar en duur zijn. Ze vormen ook een extra risico voor de raket die de satelliet de ruimte in brengt, en voor andere nuttige ladingen die meeliften. Dat komt omdat het meest gebruikte raketaandrijvingssysteem gebruik maakt van vloeibare raketbrandstof, die zeer vluchtig is. Als je een kleine kubussat bent die voorin vliegt op een raket van miljoenen dollars en je wispelturige voortstuwingssysteem ontploft tijdens de lancering of tijdens de rit in de ruimte, dan is de hele missie voorbij. Over een slechte dag gesproken.
De makkelijkste oplossing is om in plaats daarvan vaste raketbrandstof te gebruiken. Het is hoge stuwkracht, veel veiliger en goedkoop, plus het kan worden opgeslagen voor extreem lange perioden van tijd. Maar vaste raketbrandstof heeft één groot nadeel: Het kan niet gestopt en opnieuw opgestart worden. Zodra je het ontsteekt, heb je één brandwond. Dat is alles. En dat is een probleem om brokstukken te vermijden. Om een botsing te voorkomen door van baan te veranderen, heb je minstens twee onafhankelijke verbrandingen nodig: één om hem snel uit de weg te krijgen, en één om hem weer in zijn juiste baan te brengen. Om de satelliet uit zijn baan te halen, heb je waarschijnlijk ook meerdere brandwonden nodig.
In het Los Alamos National Laboratory werken we eraan om dit te veranderen. We hebben onlangs de mogelijkheid ontwikkeld en gedemonstreerd om vaste raketmotoren vele malen te stoppen en opnieuw te starten – iets dat nog nooit eerder is gedaan.
Gerelateerd: Ruimtetroep opruimen: 7 wilde manieren om orbitaal puin te vernietigen
Hoe het werkt
Een vaste raket is eenvoudig, met slechts een paar belangrijke componenten. Het bevat een verbrandingskamer met een ontstekingssysteem en stuwstof, en een uitlaatmondstuk. Wij hebben onlangs een veiliger stuwstofsysteem ontwikkeld met gescheiden vaste brandstof en vaste oxidant. Maar om ons vaste-raketsysteem in staat te stellen te stoppen en opnieuw te starten, moesten we een herbruikbaar ontstekingssysteem ontwikkelen en een herinstelbare manier om een verbranding te blussen.
Voor de ontsteking vervingen we traditionele pyrotechniek door water. Met ons systeem zou een satelliet gelanceerd worden met een kleine tank goedaardig water. Eenmaal in een baan om de aarde en net voor de ontsteking, zou een elektrolyse het water scheiden in waterstof en zuurstof. Op het moment van ontsteking zouden de waterstof en zuurstof snel in de verbrandingskamer worden geïnjecteerd en door een vonk worden aangestoken. De resulterende vlam zou de vaste stuwstof doen ontbranden.
De volgende uitdaging was uit te vinden hoe de verbranding te doven. Het is al lang bekend dat een snelle decompressie van de kamer op betrouwbare wijze een vaste raket kan doen doven – maar hoe doe je dat het beste? Vorig jaar hebben we een aerospike straalpijp ontwikkeld met een veranderbaar chokegebied. Zodra de brander een gewenste snelheidsverandering heeft bereikt, wordt het chokegebied geopend, waardoor de kamer wordt gedecomprimeerd en de brand dooft. Wanneer een nieuwe verbranding van de raket nodig is, wordt het chokegebied teruggezet in zijn oorspronkelijke positie.
We hebben onlangs meerdere onafhankelijke verbrandingen van een enkele vaste raket in statische testopstellingen in Los Alamos gedemonstreerd. De volgende horde zal een on-orbit demonstratie zijn. We werken nu aan de verfijning van ons systeem en zoeken naar een gelegenheid voor de demonstratie.
We kijken ook naar de ontwikkeling van een nuttige lading die is geïsoleerd van de hoofdsatelliet en die zijn eigen stroom bevat, communicatie met lage bandbreedte met de grond heeft, standregeling heeft om de richting te bepalen voor een brand en is uitgerust met ons systeem van vaste raketten. Met deze payload, het vermijden van puin en de-orbiting zou mogelijk kunnen worden uitgevoerd vele jaren nadat de satelliet het einde van de levensduur heeft bereikt.
Solid rockets zijn niet het antwoord op alle potentiële uitdagingen voor het aanpakken van het probleem van ruimte junk – maar hun eenvoud, het gemak van schalen naar de grootte van het ruimtevaartuig, hoge stuwkracht en nu meerdere onafhankelijke stuwkracht maakt ze een geweldige kandidaat voor het vermijden van orbitaal puin en deorbiting. Onze hoop is dat op een dag, deze raketten zullen rijden aan boord van elke satelliet gelanceerd in de ruimte – het houden van LEO veilig en bruikbaar voor millennia te komen.
- Laatste nieuws over ruimteafval en orbitaal puin
- Cubesats: piepklein, veelzijdig ruimtevaartuig uitgelegd (infographic)
- Satelliet ‘kentekenplaten’ en het opnieuw ontsteken van raketbrandstof kunnen crashes van ruimteafval voorkomen
Volg alle Expert Voices-onderwerpen en debatten – en maak deel uit van de discussie – op Facebook en Twitter. De geuite meningen zijn die van de auteur en weerspiegelen niet noodzakelijkerwijs de standpunten van de uitgever.
AANBIEDING: Bespaar 45% op ‘Alles over de ruimte’ ‘Hoe het werkt’ en ‘Alles over geschiedenis’!
Voor een beperkte tijd kunt u een digitaal abonnement nemen op een van onze best verkopende wetenschappelijke tijdschriften voor slechts $2.38 per maand, of 45% korting op de standaardprijs voor de eerste drie maanden.View Deal
Recent news