Über den Müll im Weltraum - Panorama

Von Armin Mair Satelliten bieten eine einzigartige Perspektive, eine Ressource zur Erfassung wissenschaftlicher Daten, kommerzielle Möglichkeiten und verschiedene wichtige Anwendungen und Dienste, die zu beispiellosen Möglichkeiten für Forschung und Nutzung führen. Mit der zunehmenden Weltraumaktivität ist in den letzten Jahrzehnten jedoch eine neue und unerwartete Gefahr aufgetaucht: Weltraummüll. Im Bild unten wird in einer Grafik die Art des Weltraummülls dargestellt, wobei &bdquo;unknown“ Herkunft unbekannt heißt, &bdquo;rocket mission related objects“ mit Raketenmissionen in Zusammenhang stehende Objekte, &bdquo;rocket debries“ Raketentrümmer, &bdquo;rocket fragmentation debries“ Raketensplittertrümmer und &bdquo;rocket body“ Raketenkörper. 60 Jahre Weltraumaktivität In mehr als 60 Jahren Weltraumaktivitäten wurden bei über 6050 Starts etwa 56.450 Objekte in eine Umlaufbahn gebracht, von denen etwa 28.160 im Weltraum verbleiben und regelmäßig vom US Space Surveillance Network verfolgt und in seinem Katalog geführt werden, der Objekte umfasst, die in erdnaher Umlaufbahn (LEO, &bdquo;Low Earth Orbit“) größer als etwa 5-10 cm und in geostationärer Höhe (GEO, &bdquo;Geosynchronous Earth Orbit“) größer als 30 cm bis 1 m sind. Nur ein kleiner Teil – etwa 4000 – sind heute intakte, betriebsbereite Satelliten. Diese große Menge an Weltraumhardware hat eine Gesamtmasse von über 9300 Tonnen. Das &bdquo;US Space Surveillance Network“ ist eines von 11 vereinigten Kampfkommandos des US-Verteidigungsministeriums (U.S. Strategic Command) und ist auf dem Luftwaffenstützpunkt Offutt in der Nähe von Omaha, Nebraska, angesiedelt. Das US-STRATCOM integriert und koordiniert die erforderlichen Befehls- und Kontrollfähigkeiten, um den Präsidenten, den Verteidigungsminister, andere nationale Führungspersönlichkeiten und Kampfkommandanten mit den genauesten und aktuellsten Informationen zu unterstützen, auch was den Umgang mit dem Weltraummüll betrifft. Seit 1961 wurden mehr als 560 Fragmentierungsereignisse im Orbit registriert. Nur 7 davon waren mit Kollisionen verbunden und die Mehrheit der aktuellen Ereignisse waren Explosionen von Raumfahrzeugen und Oberstufen. Es wird jedoch erwartet, dass Kollisionen in Zukunft die Hauptquelle für Weltraummüll sein werden. Man geht davon aus, dass diese Fragmentierungsereignisse eine Population von Objekten mit einer Größe von über 1 cm in der Größenordnung von 900.000 erzeugt haben. Der sporadische Strom von natürlich vorkommenden Meteoroiden überwiegt möglicherweise nur den von Menschenhand geschaffenen Trümmern in Größen von etwa 0,1 bis 1 mm. Die Hauptursache für Explosionen im Orbit sind in Tanks oder Kraftstoffleitungen verbleibende Treibstoffreste oder andere Energiequellen, die an Bord verbleiben, nachdem eine Raketenstufe oder ein Satellit in der Erdumlaufbahn abgeworfen wurde. Mit der Zeit kann die raue Weltraumumgebung die mechanische Integrität externer und interner Teile beeinträchtigen, was zu Lecks und/oder einer Vermischung von Treibstoffkomponenten führen kann, was eine Selbstentzündung auslösen kann. Die resultierende Explosion kann das Objekt zerstören und seine Masse auf zahlreiche Fragmente mit einem breiten Spektrum an Massen und Geschwindigkeiten verteilen. Antisatellitentest: 25 % mehr Trümmer Neben solchen unbeabsichtigten Auseinanderbrüchen haben in der jüngeren Vergangenheit vor allem Abfangmanöver von Satelliten durch landgestützte Raketen zur Ursache dieser Ausbrüche beigetragen. Allein der Einsatz des chinesischen FengYun-1C-Raumfahrzeugs im Januar 2007 erhöhte die Zahl der verfolgbaren Weltraumobjekte um 25 %. Eine zweite wichtige Quelle war der Auswurf von Reaktorkernen aus Buk-Reaktoren nach der Einstellung des Betriebs russischer Radar-Weltraumaufklärungssatelliten in den 1980er Jahren. Bei 16 solchen Auswurfereignissen wurden zahlreiche Tröpfchen der Reaktorkühlflüssigkeit (eine niedrigschmelzende Natrium-Kalium-Legierung) in den Weltraum freigesetzt. Eine weitere historische Quelle war die Freilegung dünner Kupferdrähte im Rahmen eines Funkkommunikationsexperiments während der Midas-Missionen in den 1960er Jahren. Schließlich kommt es unter dem Einfluss extrem ultravioletter Strahlung zu einer Erosion der Oberflächen von künstlichen Weltraumobjekten durch auftreffenden atomaren Sauerstoff und aufprallende Mikropartikel. Dies führt zu einem Masseverlust der Oberflächenbeschichtung und zur Ablösung von Farbflocken mit Größen von Mikrometer bis Millimeter. Bei Beobachtungen mit dem 1-Meter-Teleskop der ESA am Teide-Observatorium auf Teneriffa (Spanien) wurden eine Population von Objekten mit extrem hohen Flächen-Masse-Verhältnissen entdeckt. Der Ursprung und die Natur dieser Objekte sind noch nicht vollständig geklärt. Heute ist man sich allgemein einig, dass diese Objekte in der GEO-Region entstanden sind, möglicherweise aus dem thermischen Abdeckmaterial entsorgter Satelliten. Erste Kollision im Orbit Die erste zufällige Kollision zweier Satelliten im Orbit ereignete sich am 10. Februar 2009 um 16:56 UTC in 776 km Höhe über Sibirien. Der private amerikanische Kommunikationssatellit Iridium-33 und der russische Militärsatellit Kosmos2251 kollidierten mit einer Geschwindigkeit von 11,7 km/s. Beide wurden zerstört und es entstanden mehr als 2.300 verfolgbare Fragmente, von denen einige inzwischen wieder eingetreten sind (d. h., sie zerfielen und traten erneut in die Atmosphäre ein, wo sie verglühten). Je nach Höhe bremst dieser Widerstand den Satelliten nach einigen Wochen, Jahren oder sogar Jahrhunderten ausreichend ab, sodass er wieder in die Atmosphäre eintritt. In größeren Höhen, über 800 km, wird der Luftwiderstand weniger wirksam und die Objekte bleiben im Allgemeinen viele Jahrzehnte in der Umlaufbahn. In jeder beliebigen Höhe wird die Entstehung von Weltraumschrott durch normale Startvorgänge, Abstürze und andere Freisetzungsereignisse durch natürliche Reinigungsmechanismen wie Luftwiderstand und lunisolare Gravitationsanziehung ausgeglichen. Das Ergebnis dieser Ausgleichseffekte ist eine höhen- und breiteabhängige Konzentration (räumliche Dichte) von Weltraumschrottobjekten. Die höchsten Trümmerkonzentrationen sind in Höhen von 800-1000 km und nahe 1400 km zu verzeichnen. Die räumliche Dichte in geostationären Umlaufbahnen und in der Nähe der Umlaufbahnen von Navigationssatellitenkonstellationen ist um zwei bis drei Größenordnungen geringer. Prognose bei &bdquo;Business as usual“: Trümmerwachstum Bei einer heutigen jährlichen Startrate von etwa 110 und künftigen Trennungen mit einer durchschnittlichen historischen Rate von 10 bis 11 pro Jahr wird die Zahl der Weltraumschrottobjekte stetig zunehmen. Mit der zunehmenden Zahl der Trümmerteile steigt auch die Wahrscheinlichkeit verheerender Kollisionen zunehmend an. Bei einer Verdoppelung der Objektzahl erhöht sich das Kollisionsrisiko etwa um das Vierfache. Demnach wird es mit der zunehmenden Anzahl von Trümmern zu mehr Kollisionen kommen. In einem Szenario, in dem alles wie bisher weitergeht, werden solche Kollisionen in einigen Jahrzehnten die derzeit vorherrschenden Explosionen überwiegen. Schließlich werden Kollisionsfragmente mit Kollisionsfragmenten kollidieren, bis die gesamte Population auf unterkritische Größen reduziert ist. Dieser sich selbst verstärkende Prozess, der insbesondere für die LEO-Region von Bedeutung ist, wird als &bdquo;Kessler-Syndrom“ bezeichnet. Er muss durch die rechtzeitige Umsetzung von Milderungs- und Sanierungsmaßnahmen auf internationaler Ebene vermieden werden.