Nieuwe supercomputersimulaties tonen aan dat het handhaven van stabiele satellietbanen tussen de aarde en de maan veel uitdagender is dan eerder werd aangenomen. Van één miljoen gesimuleerde ruimtevaartuigen bleef minder dan 10% levensvatbaar over een periode van zes jaar, wat de significante hindernissen benadrukt voor het uitbreiden van de orbitale infrastructuur buiten de lage baan om de aarde (LEO).
De Cislunar-uitdaging: voorbij de lage baan om de aarde
De opkomst van megaconstellaties zoals SpaceX’s Starlink en China’s Thousand Sails heeft het aantal satellieten in LEO snel doen toenemen. Nu LEO de verzadiging nadert – waarbij schattingen wijzen op een maximale capaciteit van grofweg 100.000 satellieten voordat het risico op botsingen escaleert – richt de aandacht zich op de cislunaire ruimte – het gebied tussen de aarde en de maan – als de volgende grens voor de inzet van satellieten.
Cislunaire banen zijn echter inherent onstabiel. In tegenstelling tot LEO, waar zwaartekrachten relatief voorspelbaar zijn, worden ruimtevaartuigen in dit gebied door de aarde, de maan en de zon getrokken in complexe interacties. Het ontbreken van de magnetische afscherming van de aarde stelt satellieten ook bloot aan destabiliserende zonnestraling.
Supercomputermodellering: een taak van 1,6 miljoen CPU-uren
Om de cislunaire orbitale stabiliteit in kaart te brengen, gebruikten onderzoekers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) de Quartz- en Ruby-supercomputers om de trajecten van ongeveer een miljoen objecten te simuleren. De simulaties, die 1,6 miljoen CPU-uren nodig hadden (wat overeenkomt met 182 jaar op een enkele computer), werden in slechts drie dagen voltooid.
De resultaten zijn grimmig: grofweg 54% van de gesimuleerde banen bleef minstens een jaar stabiel, maar slechts 9,7% overleefde de volledige simulatieperiode van zes jaar. Dit onderstreept dat de langetermijnstabiliteit in de cislunaire ruimte aanzienlijk lager is dan eerder werd verwacht.
De imperfecties van de aarde: een subtiele maar cruciale factor
Een verrassende bevinding was de impact van het ongelijkmatige zwaartekrachtveld van de aarde. Uit de simulaties bleek dat de massaverdeling op aarde niet uniform is; de zwaartekracht varieert subtiel als gevolg van geografische kenmerken (lagere zwaartekracht boven Canada bijvoorbeeld). Deze “blobbiness” beïnvloedt op subtiele wijze de orbitale trajecten, waardoor een extra laag van complexiteit wordt toegevoegd.
Implicaties en toekomstig onderzoek
Ondanks het lage overlevingspercentage identificeren de simulaties nog steeds ongeveer 97.000 potentieel stabiele banen in de cislunaire ruimte. Belangrijker nog is dat de dataset waardevolle inzichten biedt in waarom bepaalde banen falen, waardoor ingenieurs toekomstige ontwerpen kunnen verfijnen. Volgens onderzoeksleider Travis Yeager: “Leren welke banen niet werkten is net zo waardevol als weten welke banen wel werkten.”
De cislunaire ruimte zal een cruciale regio worden voor toekomstige infrastructuur, inclusief maankolonies en uitgebreide communicatienetwerken. Het begrijpen van de orbitale instabiliteit is de eerste stap om deze uitbreiding haalbaar te maken.
