Megakonstellationen und Weltraumschrott ein Problem

Die Anzahl der Satelliten, die in den Orbit gebracht werden, ist in den vergangenen Jahren deutlich gestiegen. Allein am 15. Februar 2017 hat eine indische Trägerrakete die Rekordanzahl von 104 Satelliten gleichzeitig ins All gebracht. Was bedeuten Starts solcher Satellitenflotten für die Forschung und den Umgang mit Weltraumrückständen?

Das hängt unter anderem damit zusammen, dass unser Leben immer stärker von satellitenbasierten Produkten und Diensten – wie Internet und Mobilfunk – abhängt. Zudem verzeichnen wir auch in der Raumfahrt einen Trend zur Miniaturisierung, gekoppelt mit kostengünstigeren Startmöglichkeiten wie Mitfluggelegenheiten. Viele dieser Satelliten sind Kleinsatelliten, sogenannte CubeSats, die etwa auch von Universitäten und Forschungseinrichtungen für Ausbildungszwecke gebaut werden – so auch bei der indischen Rakete mit einem 714 Kilogramm schweren Erdbeobachtungssatelliten und zwei kleineren Technologieerprobungssatelliten, daneben 101 Kleinsatelliten mit Gewichten zwischen etwa einem und vier Kilogramm.

Diese Entwicklungen haben natürlich Folgen für die Forschung zu Weltraumrückständen: Mehr Objekte im Orbit bedeuten auch, dass das Risiko von Kollisionen ansteigt und die Satellitenbetreiber mit einer steigenden Zahl von notwendigen Ausweichmanövern rechnen müssen.

Die Forderung nach einer internationalen Zusammenarbeit erfolgte am letzten Tag der Europäischen Konferenz über Weltraumschrott, einem Treffen von mehr als 350 Vertretern aus Wissenschaft, Forschung und Industrie sowie von Raumfahrtagenturen weltweit. Die Konferenz fand im Missionskontrollzentrum der ESA statt, wo das Büro für Weltraumtrümmer der ESA und das SSA-Programm angesiedelt sind.

Die Ergebnisse der einwöchigen Konferenz wurden in Anwesenheit von Ministerin Zypries, die auch die Luft- und Raumfahrtbeauftragte der Bundesregierung ist, und Generaldirektor Wörner den Medien vorgestellt. Präsentiert wurden sie von leitenden Mitarbeitern der ESA und Vertretern der nationalen Raumfahrtagenturen Italiens, Frankreichs, Deutschlands und des Vereinigten Königreichs sowie des Ausschusses für Weltraumforschung und der Internationalen Akademie für Astronautik.

Was ist Weltraummüll?

Als Weltraummüll bezeichnen wir alle vom Menschen hergestellten Objekte, die sich im Weltraum befinden und keine Funktion mehr erfüllen. Typische Beispiele sind ausgediente Raketenoberstufen oder abgeschaltete Satelliten. Zahlenmäßig den größten Teil machen Trümmerteile aus, die entstehen, wenn Raumfahrzeuge auseinanderbrechen, weil beispielsweise Treibstoffreste explodieren, oder die durch Kollisionen zwischen verschiedenen Weltraummüll-Teilen im Orbit entstehen. Derzeit sind etwa 18.000 Weltraummüll-Teile mit einer Größe von etwa zehn Zentimetern katalogisiert.

Diese Daten werden zentral von den USA erfasst und zur Verfügung gestellt und im Weltraumlagezentrum in Uedem zusammen mit eigenen Messdaten weiter verarbeitet zum Schutz unserer Satelliten vor Kollisionen und dem Schutz der Bevölkerung vor wiedereintretenden Weltraumobjekten. Simulationen zufolge befinden sich 750.000 Trümmer im Orbit, die größer als einen Zentimeter sind und etwa 150 Millionen Teile, die größer als einen Millimeter sind. Die größte Ansammlung von Weltraummüll befindet sich in rund 800 bis 900 Kilometern Höhe, da diese Orbits besonders häufig genutzt werden.

In Darmstadt fand zu der Thematik nun die siebte Europäische Konferenz über Weltraumrückstände statt. Ein großes Thema bei der Konferenz sind die so genannten Megakonstellationen. Was versteht man darunter? Wo sehen Sie Chancen, wo Risiken? Die von einigen Unternehmen geplanten Megakonstellationen bestehen aus vielen hunderten Satelliten, die wie an einer Perlenschnur aufgereiht auf unterschiedlich orientierten Umlaufbahnen im niedrigen Erdorbit in etwa 1.000 Kilometer Höhe gebracht werden sollen. Erste Testsatelliten sollen in 2018 gestartet werden.

Durch Megakonstellationen soll vor allem eine weltweite Versorgung mit Internetzugängen ermöglicht werden. Gleichzeitig kann es durch die große Zahl an neuen Satelliten im Erdorbit zu Kollisionen mit Weltraummüll kommen, bei denen viele neue Trümmer entstehen. Auf der Konferenz geht es deshalb auch darum, die damit zusammenhängenden Gefahren und Einflüsse auf den Erdorbit besser zu verstehen. Ein Beispiel: wenn die Satelliten einer Megakonstellation am Ende ihrer Lebensdauer nicht zuverlässig aus dem Orbit entfernt werden könnten, besteht eine hohe Gefahr, dass diese Satelliten mit Weltraummüll kollidieren, zersplittern und die Trümmer in einem Kaskaden-Effekt zu Folgekollisionen führen.

Bei dem europäischen Erdbeobachtungssatelliten Sentinel-1A hat am 23. August 2016 ein Weltraummüll-Teilchen eine 40 Zentimeter große Delle in einem der beiden Solarpanels des Satelliten hinterlassen. Wie gefährlich sind solche Einschläge und warum? Wie oft kommt es zu solchen Kollisionen? Das Teilchen, das diesen Schaden verursacht hat, war vermutlich nur etwa fünf Millimeter groß. Solche kleinen Teilchen kann man nicht erkennen und nicht katalogisieren. Wenige Millimeter große Objekte können dabei zu Funktionsstörungen oder Schäden an einzelnen Systemen des Satelliten führen.

Bei Sentinel-1A führte das zu einem Verlust an Leistung des Solargenerators. Größere Objekte ab etwa einem Zentimeter Durchmesser haben bei einer typischen Kollisionsgeschwindigkeit von etwa 40.000 Stundenkilometern bereits eine große Zerstörungskraft. Ab einer Größe von etwa zehn Zentimetern kann ein Satellit durch einen Treffer vollständig beschädigt werden und in viele tausend Fragmente zerbrechen. Zusammenstöße mit großen Trümmern passieren allerdings sehr selten, etwa alle zehn Jahre. Insgesamt ist das Risiko für die Raumfahrt zurzeit noch nicht sehr groß.

Wie Weltraummüll vermeiden?

Wenn neue Satelliten gestartet werden, geht es vor allem darum, keinen weiteren Weltraummüll zu erzeugen. Dies wird bereits bei Planung und Bau berücksichtigt. Treibstoffe müssen zum Schluss einer Mission verbraucht sein, um Explosionen zu verhindern. Und Satelliten werden heute so gebaut, dass sie beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre möglichst vollständig verglühen. So kann das Risiko vermindert werden, dass Teile auf der Erde auftreffen. Des Weiteren müssen Kollisionen der Satelliten im Orbit verhindert und Satellitenbetreiber rechtzeitig gewarnt werden, damit sie ihre Satelliten notfalls ausweichen lassen können.

Wie wichtig ist die internationale Zusammenarbeit?

Der Erdorbit ist eine gemeinsame Ressource aller Nationen. Daher kann man nur durch ein weltweit abgestimmtes Handeln eine langfristige und nachhaltige Nutzung des Orbits sicherstellen. Internationale Zusammenarbeit ist deshalb absolut notwendig. Deutschland ist hier sowohl wissenschaftlich als auch politisch tätig.

So treffen sich im Anschluss an diese Konferenz Wissenschaftler von 13 Raumfahrtagenturen – neben dem DLR etwa von der ESA, der NASA, der russischen Raumfahrtagentur ROSCOSMOS und der japanischen Raumfahrtbehörde JAXA – um Themen wie Vermeidungsmaßnahmen von Weltraummüll noch intensiver zu diskutieren und eine gemeinsame wissenschaftliche Grundlage zu schaffen. Auch bei den Vereinten Nationen wird das Thema Vermeidung von Weltraummüll diskutiert und aktiv von deutschen Experten unterstützt.

Welche Rolle spielt Deutschland beim Thema Weltraummüll?

In Deutschland wird seit mehr als 20 Jahren intensiv zum Thema Weltraummüll und Weltraumrückstände geforscht. So berechnen Wissenschaftler zum Beispiel, wie sich der aktuelle Weltraummüll verteilt, dessen Bahnen man nicht messen kann, weil die Teile hierfür zu klein sind. Wir machen Experimente zu den Auswirkungen von Einschlägen auf Satelliten und damit verbunden zu der Entwicklung von Schutzmaßnahmen für Satelliten.

Operativ hat Deutschland Ende 2009 das vom Wirtschafts- und Verteidigungsministerium initiierte und gemeinsam vom DLR Raumfahrtmanagement und der Luftwaffe betriebene Weltraumlagezentrum der Bundesregierung in Uedem am Niederrhein eingerichtet. Hier analysieren deutsche Experten in Kooperation mit internationalen Partnern die Weltraumumgebung. Dabei geht es um den Schutz unserer Satelliten vor Kollisionen und um den Schutz der Bevölkerung vor wiedereintretenden Weltraumobjekten.

Was hat sich getan?

Die neuen Trends hin zu kleineren Satelliten spielen eine wichtigere Rolle. Zudem sind neue Forschungsaktivitäten gestartet worden. So hat das DLR Raumfahrtmanagement das Fraunhofer Forschungsinstitut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik mit der Entwicklung und dem Bau eines leistungsfähigen Radars zur Überwachung und Verfolgung von Objekten im erdnahen Weltraum beauftragt. Das GESTRA (German Experimental Space Surveillance and Tracking Radar) ist ein experimentelles Weltraumüberwachungsradar, mit dem Bahndaten von Satelliten und Trümmern im niedrigen Erdorbit in einer Höhe zwischen 500 und 1200 Kilometern erfasst werden sollen. Es wird voraussichtlich Ende 2017 die ersten Messungen vornehmen.

Das DLR fördert in seiner Eigenschaft als Raumfahrtagentur solche Vorhaben, erforscht aber auch an seinen eigenen Instituten, zum Beispiel in Stuttgart, wie die Bahn von Weltraumschrott mit Lasern genauer bestimmt werden kann. Auch im Deutschen Raumfahrtkontrollzentrum (GSOC) beim DLR in Oberpfaffenhofen befassen sich Ingenieure und Wissenschaftler mit Methoden, die für einen sicheren Betrieb der vom GSOC gesteuerten Satelliten bedeutsam sind. Das DLR arbeitet zudem eng mit der ESA zusammen, die hier in Darmstadt am europäischen Raumflugkontrollzentrum über ein eigenes Büro für Weltraumrückstände verfügt.

Auf den Bildern

Einschlag eines Weltraummüll-Teilchens im Solarpanel des Erdbeobachtungssatelliten Sentinel 1-A: Am 23. August 2016 hinterließ ein geschätzt fünf Millimeter kleines Weltraummüll-Teilchen eine 40 Zentimeter große Delle in einem der beiden Solarpanels des europäischen Erdbeobachtungssatelliten Sentinel 1-A. Das schwächte die Leistung des Solargenerators. Das Bild zeigt das Solarpanel vor (links) und nach dem Einschlag.

Weltraummüll: Die künstlerische Darstellung zeigt die rund 750.000 Objekte mit einer Größe von mindestens einem Zentimeter Durchmesser, die Simulationen zufolge durchs All fliegen. Rund 18.000 Teile – vornehmlich größer als zehn Zentimeter – sind katalogisiert. Als Weltraummüll bezeichnet man vom Menschen hergestellte Objekte, die sich im Weltraum befinden und keine Funktion mehr erfüllen. Typische Beispiele sind ausgediente Raketenoberstufen oder abgeschaltete Satelliten, aber auch das verlorene Werkzeug eines Astronauten. Zahlenmäßig den größten Teil machen Trümmerteile aus, die entstehen, wenn Raumfahrzeuge auseinanderbrechen, weil beispielsweise Treibstoffreste explodieren, oder die durch Kollisionen zwischen verschiedenen Weltraummüll-Teilen im Orbit entstehen.

Entwicklung der Anzahl von Weltraumtrümmern in der Erdumlaufbahn: Die Grafik zeigt die Entwicklung so genannter Weltraumrückstände – auch Weltraummüll oder -trümmer genannt – seit ihrer ersten Erfassung 1957. So stieg die Gesamtzahl der monatlich erfassten Objekte mit einer Größe von etwa zehn Zentimetern von unter 1.000 Stück in den 1960er Jahren auf knapp 18.000 im Jahr 2017 an. Die Gesamtzahl setzt sich zusammen aus kleinen Teilen von Raketenoberstufen, Raumfahrzeugen und sonstigen Weltraumtrümmern, zum Beispiel von abgeschalteten Satelliten.

Dr. Manuel Metz: DLR-Mitarbeiter Dr. Manuel Metz befasst sich als Experte im DLR Raumfahrtmanagement mit dem Thema Weltraummüll. Der Astrophysiker ist Co-Vorsitzender der Europäischen Konferenz über Weltraummüll (Space Debris), die im ESA-Raumflugkontrollzentrum ESOC in Darmstadt stattfindet.

Megakonstellationen: Die künstlerische Darstellung wirft einen Blick in die Zukunft mit so genannten Megakonstellationen. Das sind Schwärme oder Flotten mehrerer tausend kleiner Satelliten im erdnahen Weltraum. Dieser Schritt eröffnet der Raumfahrt Chancen, neue Märkte zu erschließen, birgt aber auch Risiken. Die Serienfertigung baugleicher Satelliten in großer Zahl wird es erfordern, Produktionsprozesse zu optimieren, um Kosten zu senken. Zugleich wird die Zahl aktiver Satelliten im erdnahen Weltraum massiv ansteigen und mit ihr die Anforderungen an den Satellitenbetrieb. Die konsequente Durchsetzung effektiver Maßnahmen zur Vermeidung von Weltraummüll ist dabei unabdingbar.