Kelly en Zach Weinersmith: A city on Mars

Leestijd: 8 minuten
BoekA city on Mars
AuteursKelly Weinersmith en Zach Weinersmith
UitgavePenguin Press, New York, 2023
TaalEngels

Iedereen die in Nederland woont, een telescoop heeft en daar wel eens een camera aan hangt, is zich bewust van deze twee dingen:

  1. De zomerse lucht is in Nederland ’s nachts niet zwart maar blauw
  2. LEO wordt steeds drukker

LEO, of Low Earth Orbit, is een gebied in de ruimte dat als een schil om de aarde ligt, tussen 100 en 2.000 kilometer vanaf zeeniveau. Dit gebied wordt o.a. bevolkt door het Internationale Ruimtestation ISS, de Hubble ruimtetelescoop en weer- en communicatie-sattelieten.

Gemeenschapsbezit

In de jaren 50 en 60 werden raketlanceringen snel goedkoper, wat, naast een opleving van sciencefiction-literatuur en -films, een ware ruimtewedloop tussen de twee supermachten uit die tijd mogelijk maakte. Het gevolg was bemande vluchten, satellieten, ruimtestations en maandlandingen. Zodra de kosten stopten met zakken, stopte ook de wedloop, maar de films bleven komen. Opgroeiend in de jaren 80 en 90 was ik behoorlijk teleurgesteld dat werkelijke ruimtevaart leek te zijn ingewisseld voor het louter doen alsof.

Elon Musks SpaceX zorgt tegenwoordig opnieuw voor een dramatische daling in de kosten van het lanceren van mensen en satellieten door hun raketten te hergebruiken en anderen te inspireren dat ook te proberen. Hierdoor kunnen ruimtevaart-enthousiastelingen zich momenteel verheugen op een nieuwe ruimtewedloop. De VS zijn hierin nog altijd de dominante speler, maar een groot aantal landen kan zelfstandig satellieten lanceren en naast Rusland zijn nu ook China, India en Iran alle bezig met (potentieel) bemande ruimtevaart. De maan, als was het het Afrika van de 19e eeuw, lijkt klaar om te worden opgedeeld, zeker nu is vastgesteld dat er op de zuidpool daar permanent in het donker gelegen gebieden zijn met ijs waar drinkwater en zuurstof van kan worden gemaakt. En na de maan zijn er Mars en de asteroïden.

Cover boek Kelly en Zach Weinersmith, a city on Mars

“A city on Mars” is een komisch geschreven en geïllustreerd populair wetenschappelijk boek met een serieuze ondertoon. Het eerste gedeelte vertelt over missend onderzoek en hoge en moeilijk terug te verdienen kosten die met het exploiteren van de maan, Mars en de asteroïden gepaard zullen gaan. Zo is het genoemde permanente ijs op de maan van een zeer bescheiden hoeveelheid, het oppervlak van Mars is giftig en niemand heeft ervaring met langdurige blootstelling aan microzwaartekracht en grote hoeveelheden straling. Verder kan asteroïden in een andere baan brengen voor eenvoudiger grondstoffendelving door rekenfouten (of conflicten) op rampen uitlopen.

Technische problemen vragen om technische innovaties, kun je zeggen, maar als uitdagingen, gegeven genoeg geld, zonder meer opgelost zouden kunnen worden, hadden we niet alleen koeien gehad die melk zouden geven zonder zwanger te hoeven zijn, ook hadden we dan allang in de door Hollywood zo aantrekkelijk in beeld gebrachte toekomst geleefd, vermoed ik.

De tweede helft van het boek gaat in op de juridische aspecten van het exploiteren van hemellichamen. Dat blijkt een stuk zorgwekkender dan waarvan ik me bewust was. De Outer Space Treaty (OST) die de VS en de Sovjet-Unie in 1967 sloten, bepaalt dat alles wat zich buiten de aardse dampkring bevindt, eigendom is van de gemeenschap, het collectief van alle mensen. Dat betekent dat de maan evenveel van u is als van bijvoorbeeld van de NASA of Elon Musk. Er zijn regels voor het gebruik ervan, maar niemand mag iets in bezit nemen. Dat lijkt mooi, maar die gebruiksregels betekenen dat iemand, juridisch althans, heel eenvoudig een onderzoeksstation kan openen, en daarmee effectief beslag leggen, op bijvoorbeeld een donkere krater op de zuidpool van de maan of een ander waardevol gebied. De hernieuwde ruimtewedloop wordt daarmee een serieus potentieel conflict tussen landen die naast raketten over het algemeen ook over atoomwapens beschikken, zo stellen de Weinersmiths.

De buitenaardse ruimte is niet het enige gebied dat eigendom van de gemeenschap is. Voor Antarctica en de min of meer ongerepte oceaanbodem geldt dit ook. Voor beide bestaat er een VN-organisatie die toeziet op het gebruik ervan. Dat betekent dat iedereen er aan het werk mag, maar niet alvorens eerst de betreffende autoriteit te hebben geraadpleegd. Een effect van de internationale machtsbalans zorgt ervoor dat men zich hier netjes aan houdt, hoewel aan de Internationale Zeebodem-autoriteit (ISA) recent een niet oncontroversiële deadline is opgelegd door The Metals Co., dat op de oceaanbodem broodnodige grondstoffen voor de energietransitie wil gaan delven.

Voor de maan en andere hemellichamen bestaat zo’n autoriteit niet, omdat de OST is opgesteld in een tijd dat het commercieel exploiteren van die hemellichamen nog veel meer sciencefiction was dan nu. Er zijn recent voorstellen gedaan om er een op te richten maar dat zou vooral betekenen dat de meest dominante speler, de VS, zich zal moeten gaan houden aan regels die het zijn dominantie afneemt. President Obama zette in 2015 effectief een streep door dat idee, door met nationale wetgeving te komen die bepaalde dat elke burger van de VS die bezig is met het binnenhalen van een asteroïde of ruimtegrondstof gerechtigd is deze te bezitten, te vervoeren, te gebruiken en te verkopen. Ik stel me zo voor dat China, Rusland, India en Iran vergelijkbare wetgeving hebben opgesteld.

Klimaat

En dat brengt me terug bij LEO. Aan het begin van deze eeuw was dit meest nabije deel van de ruimte het terrein van nog geen 10.000 objecten, functionele en versleten satellieten en de kadavers van raketonderdelen. Tegen het einde van 2021 waren het er twee keer zoveel. En het tempo gaat omhoog, dankzij die snelle kostenverlaging van lanceringen. SpaceX bouwt aan een wereldomspannend netwerk van communicatiesatellieten genaamd Starlink. Starlink moet overal ter wereld snel internet mogelijk maken. Momenteel, eind 2023, hangen er op een hoogte van 550 kilometer, dus vrijwel onderin LEO, 4.519 Starlink-satellieten, bijna een kwart dus van het totaal. Het moeten er 42.000 worden.

Starlink-satellieten zijn gemaakt van zeer reflectief aluminium en verstoren observaties van elke astronoom, wereldwijd. In de donkere gebieden waar telescopen worden opgesteld zijn ze bij helder weer zelfs met het blote oog nog te zien. De ruimte is van iedereen, maar elke Amerikaan mag pakken wat hij kan.

Een trein van SpaceX Starlink-satellieten boven Leiden in mei 2019 (Foto: Marco Langbroek via SatTrackBlog)

SpaceX is niet de enige die gemeenschapsbezit, in dit geval dus prime real estate in de ruimte zelf, op zo’n flagrante wijze in bezit neemt zonder dat te benoemen. Een voorbeeld is het Kuiper-project van Amazon. Dit project heeft een achterstand ten opzichte van Starlink in te halen maar wil eveneens duizenden satellieten plaatsen in LEO. En er zijn er meer.

LEO is al sinds het begin van de eerste ruimtewedloop bezaaid met ter ziele gegane raketonderdelen die tientallen jaren blijven hangen voordat ze in de aardatmosfeer opbranden. SpaceX verwacht de volledige Starlink-constellatie elke vijf jaar te vervangen, wat mogelijk wordt doordat Starship, het nieuwe ruimtevaartuig dat SpaceX ontwikkelt, ze met tientallen tegelijk kan lanceren. Naast een weergaloze verspilling van grondstoffen betekent dit ook een gevaar voor het milieu. Verouderde satellieten worden richting de atmosfeer gestuurd om daar op te branden. In een artikel dat in mei 2021 in het tijdschrift Scientific Reports verscheen, stelt de Canadese onderzoeker Aaron Boley dat het aluminium tijdens het verbranden in de vorm van aluminiumoxide in de atmosfeer zal achterblijven.1 Hij waarschuwt dat bekend is dat aluminiumoxide de ozonlaag aantast en ook het vermogen van de atmosfeer om warmte te reflecteren kan veranderen. Vergelijkbaar ambitieuze concurrentie zal op dezelfde schaal tegen dit probleem aanlopen of moet het gebruik van aluminium als bouwstof zien te vermijden.

Kessel-syndroom

In feite hebben SpaceX en andere bouwers van grote constellaties van satellieten voor het laten opbranden van afgedankte hardware maar weinig bruikbare alternatieven:

  • Ze kunnen het hele project pauzeren tot ze niet-vervuilende satellieten kunnen bouwen
  • Ze kunnen afzien van vervanging, en dus achter gaan lopen op concurrentie
  • Ze kunnen afgedankte satellieten gewoon laten hangen waar ze zijn
  • Ze kunnen, in theorie althans, afgedankte satellieten per raket mee terugnemen naar de grond

De eerste twee alternatieven zullen weinig aantrekkelijk zijn, het derde heeft als nadeel dat LEO nog vele malen drukker zal worden en dat, net als bij het tweede alternatief, satellieten ongecontroleerd naar beneden zullen komen en alsnog allemaal in de dampkring zullen verbranden. Dit gebeurt vanzelf. Een satellietbaan is niet eindeloos stabiel. Het laatste alternatief is pure sciencefiction, maar dat was het hergebruik van raketten zelf nog niet zo lang geleden ook. Het eerste alternatief lijkt hoe dan ook het enige verstandige.

Voor elke hoogte ten opzichte van het middelpunt van de aarde is er een vaste snelheid waarbij een satelliet succesvol een baan om de aarde beschrijft. Voor 550 km hoogte is dat 7,6 km/s. De film “Gravity” uit 2013 van Alfonso Cuarón brengt op dramatische wijze in beeld wat er gebeurt als objecten elkaar raken met dat soort snelheden. Gruis en ander afval zoals afgebladderde verffragmenten gedragen zich als kogels op een schietbaan. Eenmaal geraakt veranderen objecten in een grote wolk met brokstukken en gruis. Als hierdoor weer andere objecten geraakt worden ontstaat potentieel een kettingreactie waardoor een hele laag van de ruimte om de aarde onbruikbaar wordt. Dit is de essentie van het Kessler-syndroom,2 genoemd naar NASA-wetenschapper Donald Kessler, die in 1978 een studie publiceerde over dit onderwerp.

In november 2022 explodeerde de Chinese CZ-6A-raket, net nadat het een weersatelliet had gelanceerd op een hoogte van 854 – 856 km. De overblijfselen verspreidden zich over grote hoogte, zoals te zien in onderstaande diagram.

Gabbard Diagram voor CZ-6A November 17 event via LeoLabs. “Period” is de duur van de omloopbaan rond de aarde, in minuten.

De ESA schat dat er zo’n 36.500 brokstukken van tenminste 10 cm doorsnede rond de aarde draaien, een miljoen tussen de 1 en de 10 cm en een intimiderende 330 miljoen tussen de 1 cm en de 1 mm. Tussen 1999 en 2021 moest het ISS 29 manoeuvres uitvoeren om brokstukken te ontwijken.

De meeste van deze brokstukken komen van ongelukken zoals die met de CZ-6A. In januari 2007 echter besloot China een staaltje onverantwoordelijk machtsvertoon te demonstreren door het opblazen van een eigen weersatelliet, wat resulteerde in meer dan 3.000 brokstukken die in de gaten worden gehouden en vermoedelijk meer dan 32.000 die daarvoor te klein zijn. Het merendeel ervan is nog altijd in de ruimte. In februari 2009 botste een Russische Kosmos 2251-satelliet met hoge snelheid op een Iridium 33-communicatiesatelliet, wat zorgde voor meer dan 2.000 brokstukken ter grote van een tennisbal.

Kessler stelde in 2012 in Space Safety Magazine dat “Het cascadeproces kan worden gezien als continu en als reeds begonnen, waarbij elke botsing of explosie in een baan om de aarde langzaam resulteert in een toename van de frequentie van toekomstige botsingen.” LEO loopt zo de kans voor decennia onbruikbaar te worden, terwijl het bereiken van hoger gelegen gebieden met meer risico gepaard zal gaan, met alle gevolgen van dien voor weersvoorspelling, communicatie, navigatie en onderzoek.

Concluderend

Al vanaf de jaren 80, toen ik nog heel klein was, ben ik een ruimtevaart- en sterrekunde-enthousiast. Toen SpaceX begon met pogingen raketten voor hergebruik te laten landen was ik meteen fan. Maar de ruimte blijkt gewoon een nieuwe plek waar mensen mensen zijn, en zich als mensen gedragen.

  • De nieuwe ruimtewedloop lijkt een scramble for the moon te worden met kans op conflicten tussen kernwapenbezittende landen
  • Grote satellietconstellaties in LEO blokkeren astronomisch onderzoek vanaf de grond en vormen potentieel een vervuiling van de atmosfeer, met als gevolg onder andere een verdere opwarming van de aarde en ontwrichting van het klimaat
  • Met onverantwoord machtsvertoon en ongelukken, in combinatie met een steeds vollere LEO, neemt de kans toe dat die voor lange tijd onbruikbaar wordt.

Als eigenaar van een telescoop met camera in een dichtbevolkte regio met jaarlijks een zeer beperkte hoeveelheid heldere nachten, ben ik nooit fan geweest van Starlink. Het vooruitzicht dat Starship zal worden ingezet om nieuwe generaties daarvan nog sneller op te bouwen maakte mij ook van dat project een wat minder grote fan. Maar zelfs na het lezen van “A city on Mars” vind ik nog steeds dat we de ruimte in moeten, met, als ik de Weinersmiths moet geloven, vermoedelijk als enige reden dat dat nou eenmaal episch is. Wel hebben we eerst een ruimte-autoriteit nodig onder auspiciën van de VN. En tot die tijd is het wellicht toch niet zo’n slecht idee om bij ruimtevaart vooral te doen alsof.

  1. Boley, A.C., Byers, M. Satellite mega-constellations create risks in Low Earth Orbit, the atmosphere and on Earth. Sci Rep 11, 10642 (2021). https://doi.org/10.1038/s41598-021-89909-7 ↩︎
  2. Kessler, Donald J.; Cour-Palais, Burton G. (1978). “Collision Frequency of Artificial Satellites: The Creation of a Debris Belt”. Journal of Geophysical Research. 83 (A6): 2637–2646. ↩︎
Deel dit via