Hubble's leven tussen ruimtepuin

In 1993, werd de eerste Shuttle-missie uitgevoerd om Hubble ‘op te knappen’. Door het ruimteobservatorium te voorzien van correctieve optiek, was het ineens in staat om zeer scherpe foto’s te nemen van het universum.

De astronauten hebben de ‘schokkende’ zonnepanelen, het gevolg van temperatuurschommelingen, vervangen. Een van de panelen werd in een baan om de aarde afgevoerd en later in de atmosfeer opgebrand. De andere werd terug naar de aarde gebracht. 

ESA’s bijdrage aan Hubble was het ontwerpen, produceren en leveren van de zonnepanelen in ruil voor observatietijd. Het teruggekeerde paneel kon door het agentschap geïnspecteerd worden.

Dit is de eerste dergelijke gelegenheid geweest in de geschiedenis van de ruimteverkenning, de kans om de impact op een satelliet die meer dan twee jaar in de ruimte heeft doorgebracht te kunnen bestuderen. Het team ontdekte honderden inslagkraters op slechts een klein deel van het zonnepaneel, variërend van microns tot millimeters in diameter.

Negen jaar later werden de zonnepanelen nogmaals vervangen en teruggestuurd naar de aarde, na bijna een decennium aan inslagkraters te hebben verzameld.

Dit paneel wordt nu tentoongesteld bij ESA’s techologische centrum (ESTEC) in Nederland, maar een stukje van het paneel werd gebracht naar het ESOC-missiecontrolecentrum in Duitsland. Hier bevindt zich ook ESA’s Space Debris Office. 

Hubble al vroeg onderworpen aan ruimtepuin

Alhoewel we niet precies weten wanneer iedere inslagkrater is gevormd, moet dit zijn gebeurd in de ruimte. De panelen tonen inderdaad uniek bewijsmateriaal van ruimtevluchtactiviteit. 

De inslagkraters zijn onderzocht om hun grootte en diepte te bepalen, maar ook om mogelijk nieuwe residuen te ontdekken. Aangezien de chemische samenstelling van de zonnecel bekend was, zouden ‘buitenaardse’ materialen of elementen door de impactor in de krater kunnen zijn gebracht.

Metalen zoals ijzer en nikkel zouden een impact van een natuurlijke bron kunnen suggereren – delen van asteroïden en kometen bekend als micrometeoroïden. De gevonden kraters op Hubble’s zonnepanelen bevatten echter kleine hoeveelheden aluminium en zuurstof, een sterke indicatie van menselijke activiteit in de vorm van ‘vaste raketmotor’ verbrandingsresten. 

Het space debris team, als onderdeel van een grotere inspanning met partners in de industrie en de academische wereld, is in staat geweest om de vorm en grootte van deze kraters te matchen met modellen van raketvuren waarvan bekend was dat deze destijds plaatsvonden, waarbij ze een match vonden tussen waargenomen en verwachte kraters.

Is Hubble gewond geraakt?

Deze deeltjes, variërend van micrometers tot een millimeter in grootte, zouden tegen Hubble zijn gebotst met enorme snelheden van 10 tot 20 kilometer per seconde. Deze hebben echter geen grote impact gehad op de satelliet, die nog steeds foto’s maaktvan ons universum. 

Dergelijke inslagen komen vaak voor bij alle satellieten, het grootste gevolg is een voortdurende maar graduele degradatie in de hoeveelheid kracht die de zonnepanelen kunnen produceren. 

Nieuwe missies maken gebruik van een model welke gecreëerd is door het space debris team, gebaseerd op vroegere Hubble-data, om te voorspellen hoeveel inslagen er voor elke missie kunnen worden verwacht en welk effect dit zal hebben op zonne-energie.

Hubble wordt nog steeds bedreigd door botsingen

Stel je voor dat het Hubble-ruimtevaartuig in een baan om de aarde vliegt, in een 1 km x 1 km  x 1 km kubus. Gemiddeld genomen deelt een enkel stuk puin ter grootte van een micron die kubus met de Hubble, want voor elke kubieke kilometer ruimte rond de aarde is er ongeveer één klein puinobject. 

Dit lijkt niet veel, maar Hubble vliegt zelf met een snelheid van 7,6 km/s ten opzichte van de aarde en zo ook de kleine puinobjecten. Een groot deel van de botsingen gebeurt niet frontaal, maar schuin. Dit leidt tot relatieve botssnelheden van ongeveer 10 km/s. 

Stel je voor dat deze deeltjes zich met 10 km/s verplaatsen ten opzichte van een stilstaande Hubble. Dit is hetzelfde als tien van deze snel bewegende objecten die elke seconde de Hubble-kubus kruisen. De Hubble-zonnepanelen kennen een oppervlak van circa 7x2 meter, waardoor de kans op een botsing met deze objecten groot is.

Hubble wordt tegenwoordig, net zoals vlak na zijn lancering, door kleine puinobjecten bedreigd. Terwijl er vandaag de dag nog steeds deeltjes ter grootte van een micron worden gecreëerd, worden enkele van deze op 547 km afstand van de aarde weggevaagd door de atmosfeer. 

Het risico van grotere objecten neemt echter toe. Brokstukken tussen 1 en 10 cm groot zijn te klein om gecatalogiseerd en getraceerd te worden vanaf de aarde, maar hebben voldoende kracht om een gehele satelliet te verwoesten. Op Hubble’s hoogte is de kans op een botsing met een van deze objecten sinds begin 2000 verdubbeld, van 0,15% kans tot 0,3% kans vandaag de dag. 

Hubble wordt aangetrokken door mega-constellaties

Enkele satellieten worden tegenwoordig gelanceerd zonder dat de baan op een later moment kan worden gewijzigd. Deze kunnen naar relatief lage hoogten worden gebracht, zodat de atmosfeer van de aarde deze na verloop van tijd naar beneden trekt om vervolgens op te branden.

Bovendien lijkt het totale aantal operationele satellieten in de buurt van Hubble snel toe te nemen. Sommige internetsatellietconstellaties, de grootste tot wel duizenden satellieten tellend, hebben hun zinnen gezet op deze hoogten.

Ruimteveiligheid bij ESA

Om nieuw ruimtepuin als gevolg van botsingen te voorkomen, houdt ESA’s Space Safety programma zich bezig met technologieën waarbij het voorkomen van botsingen wordt geautomatiseerd. Het automatiseren van de besluitprocessen op aarde dient tot meer efficiëntie te leiden.

Echter, wat te doen met het reeds bestaande ruimtepuin? ESA’s actieve - en ‘s werelds eerste – puinverwijderingsmissie zal een ruimtepuinobject veilig verwijderen. De ClearSpace-1 missie zal zich richten op een 100 kg Vespa-raketonderdeel, dat na de tweede vlucht van ESA's Vega-draagraket in 2013 in een baan om de aarde werd achtergelaten. 

Met een massa van 100 kg is de Vespa even groot als een satelliet. De relatief eenvoudige vorm en de stevige constructie maken het een geschikt eerste doel, alvorens over te gaan tot grotere, meer uitdagende vangsten tijdens vervolgmissies - uiteindelijk met inbegrip van meervoudige vangsten.