Stel je voor dat je een astronaut bent die wetenschappelijke experimenten uitvoert en verbluffende aerobatics. Mission Control-radio's die al het personeel van het ruimtestation naar de reddingsvoertuigen moeten evacueren omdat er een stuk dodelijk ruimtepuin op je afkomt.
Dit scenario is geen sciencefiction. In juni 2011 Space Magazine meldde dat "zes bemanningsleden aan boord van het internationale ruimtestation ISS te horen kregen dat ze moesten schuilen in ... twee Russische Sojoez-ruimtevaartuigen." Naarmate meer satellieten het einde van hun operationele levensduur bereiken, zullen er meer noodsituaties in de ruimte en op de grond zijn, ongetwijfeld met minder aangename resultaten. Onze jonge ruimtevaartmaatschappij heeft tot nu toe geluk gehad: het ISS heeft de ruimteafval kunnen vermijden, en vallende, ongecontroleerde satellieten zijn gelukkig in de oceanen gevallen. Maar op een dag zal ons geluk opraken.
Er is echter hoop. Een nieuw artikel getiteld Orbitaal vuil verwijderen met lasers gepubliceerd op arXiv stelt voor om een krachtig gepulseerd lasersysteem van de aarde te gebruiken om plasmastralen te creëren op stukjes ruimteafval, deze iets te vertragen, waardoor ze opnieuw binnendringen en in de atmosfeer verbranden of in de oceaan vallen.
Claude Phipps en zijn team van een hightechbedrijf genaamd Photonic Associates schetsten hun methode, Laser Orbital Debris Removal (LODR) genaamd, die 15 jaar oude lasertechnologie gebruikt die nu direct beschikbaar is.
Het team erkende dat "vijfendertig jaar van slechte huishouding in de ruimte honderdduizenden stukjes ruimteafval groter dan één cm in de… lage baan om de aarde (LEO) band hebben gecreëerd." Dit lijken misschien geen grote objecten, maar met de energiedichtheid van dynamiet kan zelfs een grote verfchip grote schade aanrichten.
Het verwijderen van puin is een dringende taak, omdat de hoeveelheid puin die zich momenteel in de ruimte bevindt, een "op hol geslagen botsingscascade" veroorzaakt, waarbij objecten met elkaar in botsing komen, waardoor nog meer stukjes puin ontstaan.
Er zijn andere oplossingen dan het maken van een plasmastraal, maar die zijn vaak minder effectief en duurder. Een laser kan worden gebruikt om een voorwerp tot stof te vermalen, maar dit zou een oncontroleerbare gesmolten spray veroorzaken, waardoor het probleem erger wordt.
Het object vastgrijpen of een omloopset bevestigen kan beide effectief zijn. Helaas hebben ze veel brandstof nodig vanwege de noodzaak om te versnellen om het object te vangen, wat leidt tot een duurdere oplossing - ongeveer $ 27 miljoen per object. Ten slotte is er de nucleaire optie om een gas, nevel of aerogel vrij te maken om objecten te vertragen, maar dit zou zowel operationeel als niet-operationeel ruimtevaartuig beïnvloeden.
In hun paper zeggen Phipps en zijn team dat het verwijderen van ruimteafval door een plasma-straal van een paar seconden lang te maken met een laser de beste oplossing is, die slechts $ 1 miljoen kost per verwijderd groot object en een paar duizend voor kleine objecten. Bovendien kunnen kleinere objecten in slechts één baan om de aarde worden verwijderd en kan een constellatie van '167 verschillende objecten in één dag worden geadresseerd (geraakt met een laser), wat 4,9 jaar geeft om opnieuw de atmosfeer binnen te gaan'.
Alle 167 objecten moeten zorgvuldig worden gevolgd om hun ondergang niet te verslechteren; het is echter mogelijk om het systeem te gebruiken om banen van ruimteafval aan te passen. Dat gezegd hebbende, zijn de huidige niveaus van het volgen van ruimteafval niet voldoende om LODR te implementeren, maar er is een dubbel voordeel van eenvoudigere verwijdering en betere vermijding met verbeterde puin tracking. Een betere tracking zal dan een betere controle van het re-entrypunt en baanaanpassing met LODR mogelijk maken, indien nodig.
Hoe kan een lichtdruk van een laser een baan veranderen? Hoewel de laser het puin niet uit de lucht blaast, is het nog steeds effectief vanwege de aard van de orbitale mechanica.
Stel je een cubesat voor die moet worden verwijderd in een perfect cirkelvormige baan op lage hoogte. De kraan van een krachtige laser en de gegenereerde plasmastraal zouden de kubus naar buiten duwen, verder weg van de aarde (hoger in hoogte) en in een meer elliptische baan.
Dit lijkt misschien een vreselijk idee gedurende de tijd dat de cubesat op grotere hoogte doorbrengt, maar omdat het een halve cirkel is, knipt het de atmosfeer op een lagere hoogte omdat de ellips kromgetrokken is door aanpassingen door de laser. Omdat een lage hoogte overeenkomt met meer weerstand, vertraagt de cubesat en vergrendelt deze in een lagere baan. Dit is de reden waarom zeer elliptische banen transferbanen worden genoemd, omdat ze van baan veranderen op de snelweg van de ruimte. Nu de transferbaan is voltooid, wordt de cubesat voldoende vertraagd, zodat de baan niet meer kan worden bereikt door de cubesat. De cubesat valt dan uit de lucht.
Het vlees van het onderzoek voor LODR gaat over de atmosfeer omdat de laser onscherp kan worden als de atmosferische turbulentie niet wordt aangepakt. LODR is ingewikkeld omdat de turbulentie in de atmosfeer vervormingen veroorzaakt zoals die je boven een weg ziet op een hete zomerdag of zoals je ziet als je door een glazen fles kijkt. Deze complicatie komt bovenop het voorwaarts richten dat nodig is om een doelwit te raken, net als het voorwaarts richten dat nodig is om een lopende speler in trefbal te raken.
Er zijn twee manieren om turbulentie op te heffen. Ten eerste kan men op een bekende plek in de atmosfeer een laser laten schijnen, waardoor de natriumatomen op die locatie worden opgewekt. Het systeem kent de hoogte van deze stip aan de hemel en kan vervolgens de reflecterende spiegel buigen om de stip van moment tot moment scherp te stellen. Het kan dan vrij vuren.
Een tweede manier is het gebruik van een Phase Conjugate (PC) -spiegel, ook wel retroflector genoemd, die turbulentie automatisch ongedaan kan maken door licht te sturen van wie de fasevariatie is omgekeerd. Dat wil zeggen dat het een "tegengesteld vervormde" laserstraal terugstuurt waarvan de vervorming niet wordt veroorzaakt door de atmosfeer, waardoor een scherpe laserstraal ontstaat.
LODR is geen wondermiddel. Bedrade meldt dat "de belangrijkste kritiek op een dergelijk project zou komen van de internationale gemeenschap, die bang zou kunnen zijn dat een laser die krachtig genoeg is, kan worden gebruikt voor militaire doeleinden, zoals het raken van vijandelijke satellieten". Bedrade vervolgens een interview gehouden met Kessler; NASA's voormalige Senior Scientist voor Orbital Debris Research, die zei dat, vanwege de betrokken politiek, "elk laservoorstel bij aankomst dood is". Phipps beweert echter Bedradedat "Als we de juiste internationale samenwerking krijgen, zou niemand geloven dat de laser een wapen is in schaapskleren."
Er zijn nog steeds ongeadresseerde problemen, zoals Kessler opmerkt, en het verkeerde deel van een ruimtevoorwerp raken zou rampzalige gevolgen hebben. 'Je zou het verkeerde deel van een satelliet kunnen raken of genoeg verdampen om een explosie te veroorzaken.' Desondanks kan een zorgvuldige studie van het object elk gevaar vermijden.
