Het valt niet uit te sluiten dat frequente raketlanceringen op termijn van invloed gaan zijn op de atmosfeer en ons klimaat.

Dat schrijven Cypriotische onderzoekers in het blad Physics in Fluids. Ze baseren zich op modellen en simulaties, waarin een hoofdrol was weggelegd voor een veelgebruikte stuwstof: RP-1. “De eerste trap van de Saturn V-raket gebruikte RP-1, net als de Falcon 9- en Falcon Heavy-raketten, de kerntrap van de Atlas V, Soyuz en Rocket Lab’s Elektron, om er zo maar een paar te noemen, zo vertelt onderzoeker Dimitris Drikakis aan Scientias.nl. “Deze stuwstof – RP-1 – gebruikt vloeibare zuurstof als een oxidator en is simpelweg een zeer verfijnde kerosine. Samen met de oxidator wordt de stuwstof RP-1 ook wel aangeduid als kerolox. Een raketmotor die kerolox verbrandt, zal voornamelijk koolstofmonoxide, koolstofdioxide, waterdamp en kleine hoeveelheden waterstof en waterstofgas voortbrengen. Daarnaast kunnen ook roetdeeltjes, enkele zwavelhoudende stoffen en thermale stikstofoxiden ontstaan. De uitstoot verschilt eigenlijk niet zo erg van die van een typische verbrandingsmotor zoals je die in een auto aantreft. Het verschil is alleen dat er in een veel korter tijdsbestek veel meer uitstoot geproduceerd wordt.”

Bevindingen
En de simulaties – waarin de uitstoot van een door kerolox aangedreven tweetrapsraket tot op 67 kilometer boven het aardoppervlak werd gesimuleerd – wijzen uit dat raketlanceringen waarbij kerolox wordt gebruikt, de atmosfeer niet onberoerd laten. “Wij laten zien dat vervuiling door raketten niet onderschat moet worden,” stelt onderzoeker Ionnis Kokkinakis. “Aangezien de frequente toekomstige raketlanceringen cumulatief een significant effect op het aardse klimaat kunnen hebben.”

CO2
Zo blijken de raketten verhoudingsgewijs vrij veel CO2 in de atmosfeer te brengen. “De grootste verrassing was wel de relatief grote hoeveelheden koolstofmonoxide, CO2 en waterstof die een raket ten opzichte van de hoeveelheden die we van nature op grotere hoogte in de atmosfeer aantreffen, in de atmosfeer brengt,” stelt Drikakis. Zo blijkt de hoeveelheid CO2 die een raket uitstoot terwijl deze in de mesosfeer 1 kilometer hoger klimt ongeveer gelijk te zijn aan de hoeveelheid CO2 die we op dezelfde hoogte in ongeveer 26 kubieke kilometer lucht terugvinden. “Dat komt doordat, hoewel de luchtdichtheid in de mesosfeer 4 tot 5 ordes van grootte lager ligt dan op zeeniveau, de emissie van de raket gedurende de lancering vrijwel stabiel blijft.”

Verspreiding
Uiteindelijk wordt die flinke stoot CO2 door luchtstromingen wel weer door de atmosfeer verspreidt, legt Kokkinakis aan Scientias.nl uit. “Onze atmosfeer is behoorlijk turbulent en geleidelijk aan zullen de hoge CO2-concentraties die de raket heeft achtergelaten zich door de rest van de mesosfeer en uiteindelijk de complete atmosfeer verspreiden.” En dan zal de CO2-concentratie in de mesosfeer weer teruggebracht worden naar het oorspronkelijke (natuurlijke) niveau. Onduidelijk is op dit moment echter hoelang het duurt voor die lokale injectie van CO2 over de mesosfeer en atmosfeer verspreid wordt. “Wat raketlanceringen duidelijk onderscheidt van andere bronnen van CO2 is dat ze een relatief grote uitstoot (zoals CO2) direct in de mesosfeer injecteren en daardoor de lokale en van nature voorkomende concentraties significant verhogen. Hoelang dat zo blijft, is onbekend, maar we denken dat het huidige aantal raketlanceringen niet groot genoeg is om significante problemen te veroorzaken. Maar mogelijk blijft de geïnjecteerde hoeveelheid CO2 langer in de mesosfeer hangen dan verwacht. En dan kunnen frequentere raketlanceringen er uiteindelijk wel voor gaan zorgen dat de van nature voorkomende concentraties gassen in de atmosfeer veranderen.” En dat kan – in het geval van bijvoorbeeld CO2 – weer van invloed zijn op het aardse klimaat.

NOx
In hun studie kijken de onderzoekers niet alleen naar CO2, maar ook naar stikstofoxiden (NOx). “Deze komen tot stand wanneer de lucht – die voornamelijk bestaat uit stikstof en zuurstof – door de warme gassen die uit de raket komen zetten, opwarmt,” legt Drikakis uit. Aangenomen werd dat stikstofoxiden met name vrij gemakkelijk in de troposfeer – de onderste laag van de dampkring – tot stand konden komen, omdat daar de luchtdruk – die afneemt naarmate je hoger in de atmosfeer komt – relatief hoog is en het gemak waarmee stikstofoxiden ontstaan, gedicteerd wordt door die luchtdruk. “Of stikstofoxiden gemakkelijk kunnen ontstaan, hangt doorgaans af van de druk waarmee gassen uit de raket komen zetten. Zolang die druk lager is dan de lokale luchtdruk, is de kans dat er stikstofoxiden ontstaan veel groter, omdat de pluim van gassen geen expansie ondergaat (een proces dat de uitgestoten gassen doet afkoelen).” Maar de simulaties wijzen nu uit dat de stikstofoxiden ook op grotere hoogte – waar de pluim van gassen door een lagere luchtdruk dus wel uitdijt en de gassen dus ook afkoelen – toch het levenslicht kunnen zien. “Schokgolven die ontstaan in de uitdijende pluim kunnen de afgekoelde gassen zelfs op een hoogte van 30 kilometer weer opwarmen tot een temperatuur van meer dan 1000 graden Celsius en daarmee is er ook boven de tropopauze (de grens tussen de troposfeer en de stratosfeer, red.) een grote kans dat er door warmte stikstofoxiden ontstaan.” Over de vorming van stikstofoxiden is in het verleden veel te doen geweest, omdat ze een schadelijk effect hebben op de gezondheid. “Er is sterk bewijs dat blootstelling aan NOx de luchtwegen kan aantasten. Het kan astma-symptomen oproepen en verergeren en langdurige blootstelling kan zelfs leiden tot de ontwikkeling van astma. Niet aan de luchtwegen gerelateerde effecten zijn minder overtuigend aangetoond, maar NOx is bijvoorbeeld ook in verband gebracht met hartziekten en diabetes.”

En die stoffen blijken nu dus tijdens een lancering in een veel groter deel van de atmosfeer het levenslicht te kunnen zien. En het gaat ook om de vorming van behoorlijke hoeveelheden; simulaties wijzen uit dat er in de periode die een raket nodig heeft om een hoogte van zo’n 10 kilometer te bereiken voldoende NOx wordt geproduceerd om meer dan 2 kubieke kilometers lucht te vervuilen met NOx-concentraties die boven de door de WHO als veilig bestempelde grenzen uitstijgen en dus gevaarlijk zijn voor de volksgezondheid.

De opmaat naar meer
Het onderzoek zet aan het denken. En dat is precies de bedoeling. Want we mogen er – zeker nu het aantal lanceringen sterk toeneemt – niet langer klakkeloos vanuit gaan dat de atmosfeer geenszins door raketmotoren beïnvloed wordt. Tegelijkertijd zijn er echter ook nog veel losse eindjes, zo erkent Kokkinakis. Zo moet er bijvoorbeeld nog meer onderzoek worden gedaan naar de tijd die de atmosfeer nodig heeft om de door raketten geïnjecteerde gassen evenredig over zichzelf te verspreiden. Als we dat weten, kan pas gekeken worden naar de potentiële klimaatimpact en kunnen onderzoekers bijvoorbeeld uit gaan rekenen bij welk aantal raketlanceringen we – in een gegeven tijdsbestek – in de knoei komen.

“Ons doel was om de engineering- en wetenschappelijke gemeenschap, de ruimtevaartbedrijven en het publiek te wijzen op de mogelijke risico’s en nader onderzoek omtrent dit probleem te stimuleren,” stelt Drikakis. Wat dat laatste betreft geven de Cypriotische onderzoekers alvast het goede voorbeeld; zo zijn ze voornemens om binnenkort ook onderzoek te gaan doen naar de impact die de uitstoot van raketmotoren op atmosferisch ozon heeft.