In het zwaartekrachtveld betekent dit dat de aanduwers over langere tijdsperioden gebruikt moesten worden. Daarom zijn elektrische aandrijvingstoestellen toepasbaar. Objecten en ruimtevaartuigen die niet onder volledige controle staan, zoals ruimteafval, verliezen sneller hoogte wanneer de zon actief is en de atmosfeer is uitgezet. Zoals blijkt uit vergelijking (1.1), is de versnelling aD proportioneel aan de dichtheid ρ en omgekeerd evenredig aan de massa-oppervlakteverhouding m/A. Aangezien de dichtheid van de residu-atmosfeer afneemt met de hoogte, neemt de levensduur van ruimtevaartuigen toe met de hoogte. De levensduur van een ruimtevaartuig als functie van de hoogte en de massa-oppervlakteverhouding m/A wordt getoond in figuur 1.7 voor een karakteristieke atmosfeer. Dit toont aan dat ruimtevaartuigen met een groot oppervlak en een lage massa bijzonder kwetsbaar zijn voor orbitaal verval.

Om te voldoen aan de richtlijnen die bijvoorbeeld door de Inter-Agency Space Debris Coordination Committee (IADC) worden aanbevolen, is het sterk aangeraden dat alle ruimtevaartuigen na afloop van de missie binnen een periode van 25 jaar worden gedeboard of naar een begraafplaatsorbitaal worden verplaatst. Dit heeft geleid tot verschillende voorstellen om dit te bereiken door een structuur te implementeren die het oppervlak van het ruimtevaartuig aanzienlijk vergroot, waardoor de atmosferische weerstand toeneemt. Dergelijke systemen voor het vergroten van de weerstand zijn bijvoorbeeld aangenomen binnen het CleanSat-programma van de ESA.

De residu-atmosfeer ρ is echter niet alleen afhankelijk van de hoogte, maar varieert ook in de tijd. De zonnewind verwarmt de bovenste lagen van de atmosfeer, wat de dichtheid van de residu-atmosfeer in de lage-aarde-orbit beïnvloedt. Omdat de zonnewind variabel is, varieert de dichtheid ook. Zo kan de dichtheid van de residu-atmosfeer op 500 km hoogte met een factor 100 veranderen. Het effect van de zonnewind op de dichtheid van de residu-atmosfeer en daarmee op de dichtheid van ruimteafval wordt geïllustreerd in figuur 1.8. Dit toont aan dat er tijdens periodes van zonnewindmaximum, wanneer de atmosferische weerstand het grootst is (bijvoorbeeld in 1989), een vermindering van het aantal ruimteafvaldeeltjes plaatsvond.

Sinds de aarde bestaat, wordt zij getroffen door materiaal uit de ruimte. De massa die jaarlijks de aarde bereikt is momenteel ongeveer 10^7–10^9 kg. Het grootste deel van dit materiaal bestaat uit stofdeeltjes, de zogenaamde micrometeoroïden, met een massa van minder dan 1 g. Hun snelheden ten opzichte van ruimtevaartuigen zijn gemiddeld ongeveer 10 km/s. Hoewel ze waarschijnlijk geen catastrofale schade aanrichten, dragen ze wel bij aan het verweringsproces van de satellieten en kunnen ze de materiaaleigenschappen veranderen. Zo werd op 23 augustus 2016 het zonnepanelen van de Sentinel-1A-satelliet geraakt door een deeltje van enkele millimeters groot. Het is niet duidelijk of dit een micrometeoroïde of kunstmatig ruimteafval was. Dit incident had geen effect op de routineoperaties van de satelliet.

Er bestaan echter ook grotere objecten dan 1 g, en gedurende de levensduur van de aarde heeft ze vele objecten van meer dan 1 km in diameter ontvangen. Een van de meest ingrijpende incidenten uit de geschiedenis was de inslag van een 10 km grote meteoriet 65 miljoen jaar geleden in het Yucatán-schiereiland, die een krater van 180 km in diameter creëerde en vermoedelijk de massa-extinctie van de dinosauriërs veroorzaakte. De impact van ruimteafval vormt een grotere zorg voor ruimtevaartuigen, vooral door de toenemende hoeveelheid natuurlijk afval dat ontstaat wanneer de aarde door deeltjes van een komeet of meteorenzwerm beweegt. Het Olympus-communicatievaartuig werd in 1993 beschadigd door een Leonid-meteoroïde, wat leidde tot een elektrische storing.

Kunstmatig ruimteafval is echter een groeiend probleem, zoals geïllustreerd in figuur 1.8. Het probleem is sinds het begin van de ruimtevaart langzaam toegenomen, maar werd aanzienlijk versterkt door recente gebeurtenissen die grote hoeveelheden afval hebben veroorzaakt. Een voorbeeld hiervan was de botsing in 2009 tussen de satellieten Iridium 33 en Kosmos-2251. Verder zijn er voorbeelden van vernietigingen van satellieten door anti-satellietproeven van verschillende landen, waaronder de VS, China en India. De impact van deze gebeurtenissen is zichtbaar in figuur 1.8. Het aantal bekende incidenten neemt toe en kan als volgt worden gecategoriseerd:

  • Lancering en operationeel afval

  • Ruimtevoertuigbreuken (57 daarvan opzettelijk)

  • Explosies

  • Botsing-geïnduceerd (5 tot nu toe – de laatste Iridium 33/Kosmos 2251, 10 februari 2009)

  • Breuk van de bovenste fasen (grootste bijdrage – BreezeM in 2007, 2010, 2011, 2012)

  • Afbrokkelende resten van ruimtevaartuigoppervlakken (verf, MLI, enz.)

  • Druppels van vloeibaar metaalkoeling

  • Natrium-kalium (NaK) druppels uit RORSAT-reactorkernen

  • Vuur van vaste raketmotoren

  • Anti-satellietproeven (VS: P78-1 Solwind, 13 september 1985; China: Fengyun-1C, 11 januari 2007; VS: USA 193, 21 februari 2008; India: Microsat-R, 27 maart 2019).

De enige natuurlijke afvoer voor ruimteafval in lage aardbaan (LEO) is de atmosfeer, hoewel er een groot aantal innovatieve oplossingen wordt overwogen. Deze omvatten elektromagnetische technieken, momentumwisselmethode, afstandsbediening, vangmethoden en wijziging van materiaaleigenschappen of herschikking van materiaal. Als het mogelijk is om ruimteafval te verwijderen en te handhaven dat de terugkeer van satellieten binnen 25 jaar na afloop van hun missie moet plaatsvinden, zullen analyses aantonen dat de ruimte-afvalomgeving gestabiliseerd kan worden. Dit zou inhouden dat 90% van de post-missie verwijdering (PMD) wordt bereikt, wat betekent dat in 90% van de satellietmissies de 25-jarige regel zou zijn geïmplementeerd en actieve verwijdering van 5–10 grote objecten per jaar wordt uitgevoerd in de komende decennia. Momenteel ligt het PMD-percentage onder de 20% van alle missies. Het scenario met 90% PMD en de verwijdering van 5–10 objecten per jaar houdt echter geen rekening met onvoorspelbare gebeurtenissen, zoals het verlies van de Envisat, een aardobservatiesatelliet van 8 ton, in april 2012. Deze satelliet is nog steeds in één stuk, maar is buiten controle en vormt een duidelijke ruimte-afvalbedreiging, aangezien er een aanzienlijke kans is dat deze in botsing komt met ander afval, wat duizenden nieuwe objecten kan creëren.

Hoe wordt een satellietoperatie uitgevoerd: van LEO tot GEO

Tijdens de uitvoering van ruimtemissies zijn de operationele taken die het team moet uitvoeren afhankelijk van de specifieke kenmerken van de satelliet en de orbitale parameters. De missie van de GRACE-satellieten biedt een duidelijk voorbeeld van wat er gebeurt in een Lage Aarde Orbit (LEO). De GRACE-satellieten, die zich op een hoogte van ongeveer 430 km boven de aarde bevinden, draaien in een polaire baan met een inclinatie van 89°. De baanperiode duurt ongeveer 93 minuten, wat betekent dat de satellieten elk uur meerdere keren de aarde omcirkelen. In dit soort banen is de communicatie met de grondstations beperkt, aangezien een satelliet slechts korte periodes zichtbaar is vanaf een grondstation. De contacten duren meestal niet langer dan tien minuten, wat de missieplanning complex maakt.

Tijdens de routinefase van een LEO-missie bestaat een van de belangrijkste operationele taken uit het "onderhoud" van het ruimtevaartuig. Het Monitoring and Control System (MCS) vergelijkt de telemetriegegevens automatisch met vooraf gedefinieerde limieten. Wanneer een parameter buiten de grenzen valt, wordt een waarschuwing in het systeem weergegeven door een gele markering, en een alarm door een rode markering. Deze waarschuwingen duiden niet alleen op problemen, maar geven ook aan wanneer bepaalde waarden in de loop van de tijd beginnen af te wijken. Het team van Spacecraft System Engineers (SSEs) volgt deze afwijkingen nauwgezet door langdurige monitoring, waarbij gegevens over langere periodes (soms jaren) worden verzameld en geanalyseerd. Dit stelt hen in staat om trends en voorspellingen te maken, en acties te ondernemen voordat zich daadwerkelijk problemen voordoen.

Een ander belangrijk aspect van een LEO-operatie is de bepaling van de houding en de baan van de satelliet. Het Flight Dynamics Team verzamelt gegevens over de baan van de satelliet, berekent de exacte positie en genereert vervolgens de benodigde gegevens voor de volgende manoeuvre. Na het uitvoeren van een manoeuvre wordt de baan opnieuw gecontroleerd om de nauwkeurigheid van de uitgevoerde wijziging te verifiëren.

In de praktijk worden veel van deze handelingen uitgevoerd met behulp van time-tagged commands. Dit zijn opdrachten die naar de satelliet worden verzonden met een specifieke tijdstempel, waardoor ze niet direct worden uitgevoerd bij ontvangst, maar pas op het moment dat ze nodig zijn. Dit systeem maakt het mogelijk om complexe handelingen, zoals het uitvoeren van baanmanoeuvres, wetenschappelijke experimenten of software-updates, uit te voeren zonder constante communicatie met de grondstations. Zonder deze mogelijkheid zou de werking van de satelliet veel gecompliceerder zijn.

Bij geostationaire aardbanen, zoals die van de European Data Relay System (EDRS), is de situatie aanzienlijk anders. De EDRS-satellieten bevinden zich op een hoogte van ongeveer 36.000 km boven de aarde, wat betekent dat ze altijd boven hetzelfde punt van de aarde blijven hangen. Dit biedt de mogelijkheid voor continue communicatie, waarbij een grondstation te allen tijde zicht heeft op de satelliet, zonder dat tijdgestempelde commando’s noodzakelijk zijn. In dit geval kunnen orbitale manoeuvres en payloadoperaties in realtime worden gecontroleerd. Deze lange communicatietijden maken het mogelijk om de satelliet nauwkeurig en constant te monitoren.

De initiële fase van een geostationaire missie (GEO-LEOP) vertoont enkele overeenkomsten met een LEO-LEOP. De satelliet wordt gecontroleerd vanaf het moment van loskoppeling van de draagraket, waarbij de systemen worden gecontroleerd en voorbereid voor de operationele fase. Het grootste verschil is dat de EDRS-satellieten zich in een geostationaire overdrachtbaan bevinden, een zogenaamde geostationary transfer orbit (GTO), voordat ze hun definitieve orbitale positie bereiken. In de GTO kunnen satellieten een periode van enkele uren nodig hebben om hun definitieve geostationaire hoogte van 36.000 km te bereiken.

Door de geostationaire eigenschappen van de EDRS-satellieten is er meer flexibiliteit in de communicatie en kunnen langdurige visibiliteit van de satellieten gegarandeerd worden. De missie wordt dus vaak uitgevoerd met een continue verschuiving van operators die de satellieten 24 uur per dag bewaken. De noodzaak van een breed netwerk van grondstations wordt hiermee kleiner dan bij LEO-satellieten. Dit maakt het niet alleen makkelijker om de satellieten te controleren, maar ook om bij te sturen in het geval van onverwachte afwijkingen of in geval van urgente situaties.

Vanuit operationeel perspectief is het belangrijk om te begrijpen dat de missiecontrole en het beheer van de satellieten afhangt van zowel de fysieke kenmerken van de satellieten als de omgevingsfactoren. De specifieke orbitalen van de satellieten bepalen in grote mate hoe en wanneer communicatie mogelijk is, evenals de manier waarop missieoperationele taken kunnen worden uitgevoerd. Bovendien moeten de betrokken teams de beperkingen van de beschikbare grondstationcommunicatie goed begrijpen. De kortere communicatievensters bij LEO-satellieten vereisen gedetailleerde planningsstrategieën, terwijl bij geostationaire satellieten de lange zichtbaarheidstijd per dag het mogelijk maakt om in real-time veel meer te monitoren en aan te passen.

Waarom zijn prompts zo belangrijk voor het benutten van ChatGPT?
Wat is belangrijk bij het boeken van een verblijf in een Japanse herberg?
Hoe kun je transparantie, kleur en natuurlijke vormen combineren in je kunstwerken?