Voor de burgerluchtvaart, de infrastructuur op de grond en het milieu is dit een reëel risico, maar het paradoxale is dat we nog steeds heel weinig weten over waar dergelijke valpartijen daadwerkelijk plaatsvinden.
Oude satellieten, gebruikte raketten, modules van ruimteschepen – elke dag keren enkele van deze objecten terug uit hun baan om de aarde, meestal ergens boven de oceaan. Het probleem is echter dat we niet altijd weten waar ze precies neerkomen en wat er van overblijft. Wetenschappers hebben zojuist aangetoond dat in de metingen van seismometers, die dagelijks aardbevingen registreren, een kaart verborgen zit van de vlucht van vallend ruimteafval. Hierdoor kan in een uur worden gedaan wat tot nu toe dagen duurde, namelijk het traceren van de route en het mogelijke gebied waar de brokstukken terechtkomen.
Ruimteafval valt bijna dagelijks
In de lage baan om de aarde wordt het steeds drukker. Constellaties van communicatiesatellieten, oude raketfragmenten, inactieve ruimtevaartuigen – al deze objecten moeten vroeg of laat naar beneden vallen. Volgens schattingen keren er gemiddeld elke 24 uur minstens drie grote objecten terug naar de aarde: afgedankte satellieten of raketfragmenten.
De meeste daarvan vallen uiteen in de dichte lagen van de atmosfeer en veranderen in een wolk van plasma en metaaldeeltjes. Sommige fragmenten kunnen echter het aardoppervlak bereiken, met name massieve onderdelen zoals brandstoftanks of ruimteschipmodules. Voor de burgerluchtvaart, de infrastructuur op aarde en het milieu is dit een reëel risico, maar het paradoxale is dat we nog steeds heel weinig weten over waar dergelijke valpartijen daadwerkelijk plaatsvinden.
Een spectaculair voorbeeld hiervan was de situatie in november 2022, toen Spanje en Frankrijk een deel van hun luchtruim enkele tientallen minuten sloten omdat er een groot stuk van een Chinese raket boven Zuid-Europa zou neerstorten. Luchtvaartmaatschappijen leidden vluchten om, verliezen werden berekend en het object zelf kwam uiteindelijk aan de andere kant van de wereld, boven de Stille Oceaan, in de atmosfeer terecht. De voorspellingen waren, op zijn zachtst gezegd, weinig nauwkeurig.
Waarom verliezen radars objecten vlak boven de aarde uit het oog?
In een baan om de aarde lijkt de situatie nog redelijk onder controle. De banen van satellieten en raketten worden gevolgd door een wereldwijd netwerk van radars en optische telescopen. Wanneer een object enkele honderden kilometers boven de aarde cirkelt, kan zijn toekomstige positie met grote nauwkeurigheid worden voorspeld op basis van de wetten van de mechanica.
Het probleem begint echter pas wanneer het laagste punt van de baan in de dichtere lagen van de atmosfeer komt – ongeveer onder de 200 km. Daar speelt niet alleen de zwaartekracht een rol, maar ook de wrijving met de lucht. De atmosfeer op deze hoogtes is zeer veranderlijk: de dichtheid ervan hangt af van de zonneactiviteit, de temperatuur en de wind. Voor een vallend object betekent dit chaos.
De dag voor het binnendringen in de atmosfeer kan de onzekerheid over het moment van terugkeer enkele uren bedragen. En een paar uur bij orbitale snelheden is een hele omwenteling rond de aarde. Bovendien zijn er maar weinig langeafstandsradars, hun gegevens zijn vaak geheim en op het moment dat er een hete schil van geïoniseerd gas rond het ruimtevaartuig ontstaat, worden metingen sowieso moeilijk.
Seismometers zijn niet alleen voor aardbevingen. Binnenkort kunnen ze ook vurige bolides volgen
Hier komen seismometers in beeld. Dit zijn instrumenten die zijn ontworpen om grondtrillingen te registreren – van grote aardbevingen tot subtiele trillingen die worden veroorzaakt door verkeer of werkende machines. In veel landen, vooral in geïndustrialiseerde landen, is hun netwerk zeer dicht en goed in kaart gebracht.
Hoewel ze worden geassocieerd met wat er in het binnenste van de aarde gebeurt, reageren seismometers ook op verschijnselen in de atmosfeer. Wanneer een object met een snelheid die vele malen hoger is dan de geluidssnelheid over een bepaald gebied vliegt, ontstaat er een sonische knal, oftewel een schokgolf, die we bijvoorbeeld kennen van het voorbijvliegen van een straaljager. In het geval van een groot fragment van een ruimteschip loopt deze knal naar beneden als een schuine kegel, de zogenaamde Mach-kegel, en raakt op een gegeven moment de grond.
De drukgolf drukt het oppervlak even samen en zet het vervolgens weer uit. Voor een seismometer ziet dit eruit als een karakteristieke N-vormige impuls: een snelle neerwaartse beweging, gevolgd door een even snelle opwaartse beweging. Dit wordt geregistreerd als een duidelijke tand in de trillingsgrafiek. Als een dergelijke impuls op hetzelfde moment op tientallen stations in de regio verschijnt, kan aan de hand daarvan worden gereconstrueerd hoe en waar de schokgolf zich heeft voortbewogen, en van daaruit is het nog maar een kleine stap naar de route van het object zelf.
Chinese module boven 50 miljoen mensen
Om te zien hoe ver men met seismometers alleen kan komen, heeft een team van de Johns Hopkins University en het Imperial College London een concreet voorval onderzocht. In april 2024 voltooide de orbitale module van de Chinese Shenzhou-capsule zijn missie en zou in de oceaan neerstorten. De voorspellingen waren dat hij ergens boven de Atlantische Oceaan of de zuidelijke Stille Oceaan de atmosfeer zou binnenkomen.
De werkelijkheid bleek anders. Midden in de nacht verscheen boven Zuid-Californië en Nevada een heldere bolide – een vuurstreep aan de hemel, die zowel door inwoners van Los Angeles als door talrijke automobilisten op de snelwegen werd gezien. In de baan om de aarde was zojuist het spoor van de module verdwenen.
Dit object woog ongeveer 1,5 ton en had een straal van meer dan een meter. Dat is genoeg om bij een ongunstig verloop van de gebeurtenissen schade aan te richten bij een inslag in een bebouwd gebied of een vliegtuig. Onder zijn baan woonden ongeveer 50 miljoen mensen. Volgens officiële gegevens zou het verder vliegen en boven de oceaan uiteenvallen. Seismometers vertelden echter een heel ander verhaal.
Hoe kun je uit de trillingen van de aarde de route en snelheid van het vallende vliegtuig afleiden?
Onderzoekers analyseerden de metingen van 127 seismische stations in Californië en een deel van Nevada. Op veel van deze stations verschenen karakteristieke impulsen – precies de geluidsdonderslagen van de voorbijvliegende brokstukken van het vliegtuig.
Door te kijken naar het moment waarop het signaal op elke station verscheen, kan een kaart worden getekend van tijdvlekken, dat wil zeggen plaatsen waar de schokgolf eerder of later aankwam. Deze vlekken vormen karakteristieke hyperbolen, dat wil zeggen curven die ontstaan door de snijpunten van de Mach-kegel met het aardoppervlak.
Door dit patroon te analyseren, heeft het team het volgende vastgesteld:
- de baan – het bleek dat de vuurstreep ongeveer 40 km ten noorden van de eerder door het militaire centrum voor baanvolging berekende route vloog;
- de snelheid – deze bedroeg ongeveer Mach 25-30, ofwel ongeveer 8 km/s, wat overeenkomt met de verwachtingen voor een object dat uit zijn baan komt;
- de invalshoek – deze was zeer klein, ongeveer 2 graden; in de praktijk betekent dit dat de module door de bovenste lagen van de atmosfeer schuurde voordat hij snel hoogte begon te verliezen.
Belangrijk is dat seismometers ook hebben aangetoond waar de fase van het genereren van sonische donderslagen ongeveer eindigde. Voorbij een bepaalde meridiaan registreerden de stations geen duidelijke N-golven meer, alleen veel zwakkere signalen van verdere akoestische voortplanting. Dit is een teken dat grote fragmenten ofwel volledig zijn verbrand, ofwel al in de zogenaamde ballistische vlucht zijn gaan vallen, waarbij ze onder de geluidssnelheid zijn vertraagd.
Wanneer het ruimtevaartuig in stukken uiteenvalt, registreert de seismometer dat ook
Op sommige stations was het signaal geen eenvoudige enkele impuls. In plaats van één piek was er een hele reeks kleinere pieken te zien, die om de paar honderdsten van een seconde verschenen. Dat is het spoor van het uiteenvallen van het ruimtevaartuig.
Elk groter fragment dat opnieuw wordt blootgesteld aan hypersonische wind, genereert zijn eigen miniatuur sonische knal.
Als de desintegratie trapsgewijs verloopt – eerst breekt één blok af, daarna de volgende – registreren seismometers de hele reeks van dergelijke gebeurtenissen. Door de amplitude ervan te analyseren, kan worden geschat hoe de energie van de opeenvolgende breuken werd verdeeld, en de duur van deze kanonnade geeft aan op welk deel van de baan de belangrijkste desintegratie plaatsvond.
Het team toonde aan dat de desintegratie van de Shenzhou-module een cascade was: een reeks gebeurtenissen met afnemende energie, die zich op een relatief kort traject afspeelden. Dit leek meer op het herhaaldelijk breken van een verstijfde constructie onder toenemende luchtdruk dan op een enkele explosie.
Waarom is dit allemaal nodig?
Waarom zou iemand zo’n nauwkeurig beeld willen hebben van hoe ruimteafval uiteenvalt? Daar zijn minstens een paar redenen voor. Seismometers kunnen vooral een belangrijke rol spelen bij het snel detecteren en analyseren van objecten die uit hun baan vallen, vooral objecten die giftige brandstoffen, radioactieve elementen of brandwerende componenten kunnen bevatten. Dankzij seismometers kan bijna onmiddellijk de vluchtbaan en de plaats van de val worden bepaald, wat de reactietijd van de hulpdiensten verkort. Dit vergemakkelijkt zowel zoekacties als de beoordeling van de risico’s van toekomstige gevallen van terugkeer in de atmosfeer.
Bovendien is het een aanvulling op de klassieke monitoringmethoden. Seismometers zijn dicht bij elkaar geplaatst en hun gegevens uit vele landen zijn bijna in realtime openbaar beschikbaar. Dit is een enorm voordeel ten opzichte van grote radars, waarvan er maar weinig zijn en waarvan de metingen soms vertrouwelijk zijn.
