Kollisionskurs

Trümmer im All

Video 1 – Kollisionskurs
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Video 2.1 – GESTRA Schrottdaten
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Video 2.2 – ESA Schrottkatalog
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Video 3 – Drohende Gefahr
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Video 4.1 – Ausweichmanöver
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Video 4.2 – Evakuierung
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Video 5.1 – Epilog
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Video 5.2 – Epilog
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Was ist Weltraummüll?

Weltraummüll oder auch Weltraumschrott (engl. space debris, orbital debris) umfasst alle Objekte im Erdorbit, die von Menschen produziert wurden und keine Funktion haben.1
Darunter fallen alte Raketenstufen, ausgefallene Satelliten, die nicht mehr per Funksignal erreichbar sind, gefrorene Treibstoffreste, geplatzte Batterien, Trümmerteile,2 bis zu einer Werkzeugtasche, die eine amerikanische Astronautin während ihres Außeneinsatzes am 18.11.2008 an der ISS verlor.3
Ein weiteres Beispiel ist der Envisat-Satellit der Europäischen Weltraumagentur ESA, zu dem seit 2012 keine Kommunikation mehr möglich ist.4

Ein fliegender Werkzeugkoffer klingt im ersten Moment harmlos. Aber Weltraumschrott birgt eine enorme Gefahr durch seine hohe Geschwindigkeit. In erdnahen Höhen des Low Earth Orbit (LEO) bewegt er sich mit Geschwindigkeiten von ca. 7,8 Kilometern pro Sekunde.5
Durch die hohen Geschwindigkeiten bei einer Kollision entsteht eine extrem große Krafteinwirkung.

Schon durch ein abgeplatztes Farbpartikel von
wenigen Mikrometern Größe kann das Gewebe
von Raumanzügen beschädigt werden.6

Die Menge des Mülls wird (Stand: Herbst 2020) auf 23.000 gefährliche Objekte geschätzt, die ganze Satelliten zerstören können, gibt Holger Krag vom Weltraumkontrollzentrum ESOC der ESA an. Und die Menge steigt. Schätzungsweise explodieren pro Jahr acht Raketenstufen oder Satelliten und setzten eine Vielzahl kleiner Trümmer frei. Für eine Explosion einer Raketenstufe reicht oftmals schon der Einschlag eines Mikropartikels, oder das Aufwärmen des Tanks durch die Sonne. Denn oberhalb der Atmosphäre können Temperaturen von 121°C bis zu -157°C im Schatten herrschen.7
Diese Explosionen setzen Trümmer und Partikel frei, die teilweise mit Geschwindigkeiten von 100 Metern pro Sekunde weggeschleudert werden und somit die Umlaufbahnen verlassen können und andere Bahnen, wie die der ISS kreuzen.8

Die bemannten Module der Internationalen Raumstation
sind mit doppelwandigen Meteoritenschutzschilden
verkleidet (einem sogenannten Whipple-Schild).

Sie erzeugen eine Streuung der Einschlagobjekte, in der ersten Wand, sodass die zweite Wand geschützt wird. Dadurch können Objekte mit mehreren Zentimetern Durchmesser abgewehrt werden. Trotzdem muss die ISS regelmäßig Ausweichmanöver fliegen, um großen Trümmerteilen auszuweichen. Sie wird auf ihrer Flughöhe von ca. 400 Kilometern durch die Atmosphäre abgebremst und sinkt immer wieder ab. Die Ausweichmanöver verbrauchen demzufolge keinen zusätzlichen Treibstoff, da die ISS regelmäßig auf höhere Bahnen gebracht werden muss.9

Die Anzahldichte der Weltraummüllobjekte variiert sehr stark über die Entfernung von der Erdoberfläche. Die Höhenverteilung der Schrottteile steht im Zusammenhang mit den meistgenutzten Satellitenbahnen.

Ein positiver Effekt ist, dass es ein natürliches Haltbarkeitsdatum des Weltraumschrottes gibt. Denn je tiefer die Objekte fliegen, desto mehr Reibung entsteht mit der Erdatmosphäre. Dadurch werden die Objekte verlangsamt und stürzen durch die Gravitation schließlich ab.


Doch stellen die Trümmer auch eine Gefahr
für die Bevölkerung dar?
Zeichnung von Weltraumschrott für die Animationsvideo-Reihe

Kleine Objekte verglühen komplett während des Absturzes. Insgesamt schätzt man, dass 60 bis 90 Prozent der Masse verglühen und ein Großteil der Überreste stürzt in die Ozeane, die überwiegend die Erdoberfläche bedecken. Es kommen nur sehr wenige Einschläge auf besiedelten Gebieten vor, sodass es bisher noch keinen bestätigten Fall gab, bei dem ein Mensch verletzt wurde.

Auch die Form und das Gewicht haben einen Einfluss auf die Schnelligkeit des Absinkens. Flache und dünne Teile treten schneller in die Atmosphäre ein. Sie bieten eine größere Reibungsfläche als schwere und kompakte Objekte.
Ab einer Höhe von 400 Kilometern ist der Einfluss der Erdatmosphäre jedoch schon so schwach, sodass die Objekte ca. ein Jahr im All bleiben. Dies galt auch für das Beispiel des Werkzeugkoffers der ISS-Astronautin, der im November 2008 verloren ging. Er verglühte am 03.08.2009, fast ein Jahr später, vollständig in der Atmosphäre.10

Befindet sich der Müll in noch höheren Bahnen, verglüht er manchmal erst nach hunderten bis tausenden von Jahren. So wird sich besonders in hohen Umlaufbahnen der Schrott weiter ansammeln und die Gefahr für zukünftige Missionen und unser Satellitensystem immer mehr steigen.

Im schlimmsten Fall wird menschliche Raumfahrt
für hunderte Jahre unmöglich gemacht.

Der Kessler-Effekt

Durch die Kollisionen in hohen Bahnen entstehen sehr große Mengen an Bruchstücken, die wiederum eine Gefahr für Satelliten sind. Momentan gibt es noch viel freien Raum im Erdorbit, aber es besteht die Gefahr einer Kettenreaktion. Durch die Bruchstücke einer Kollision können weitere Kollisionen hervorgerufen werden, wodurch wiederum Bruchstücke entstehen, die zu noch mehr Kollisionen führen. Diese Entwicklung wird bereits seit 1957 beobachtet und sie führt zu einer exponentiellen Schrottvermehrung, dem Kessler Effekt.
Der NASA-Mitarbeiter Donald J. Kessler modellierte die Fragmentationsprozesse im Asteroidengürtel und übertrug dies auf die Objekte in der Erdumgebung. Die Kollision zwischen kleinen Teilchen sei sehr unwahrscheinlich, aber kleine Teilchen treffen mit höherer Wahrscheinlichkeit auf große Objekte, wie stillgelegte Satelliten. Vor allem durch diese Kollisionen nimmt die Anzahl der Teilchen zu.11

Der Effekt wird verlangsamt durch das Vermeiden, große Objekte im Orbit zu lassen, aber nicht verhindert.
„Selbst wenn man heute mit der Raumfahrt aufhörte, würde die derzeitige Trümmermasse im Orbit ausreichen, [auf Grund des Kaskadeneffektes …] immer neue Trümmer entstehen zu lassen. […] Die Zunahme des Weltraummülls kann langfristig dazu führen, dass bestimmte Orbits für die Raumfahrt sonst nicht mehr genutzt werden können.“ – Heiner Klinkrad (Leiter des Space Debris Office der ESA in Darmstadt.)12
Noch verschärft wird diese Situation durch den Start ganzer Satellitenflotten wie beim Starlink-Projekt der privaten Firma SpaceX. Konstruktionsfehler, die für einen Funktionsverlust der Satelliten sorgen können, betreffen dadurch hunderte bis tausende Satelliten.13
Bei Satelliten kommt es häufig zu Problemen, da sie vorher nur bedingt getestet werden können. Die Bedingungen, die während eines Starts und im Weltraum herrschen, lassen sich auf der Erde nicht simulieren. Man geht davon aus, dass 5% der gestarteten Satelliten technische Probleme bekommen.

Vor allem bei Satellitenflotten entsteht
deshalb eine hohe Menge an Weltraummüll. 14
Illustration von Weltraumschrott einer Kollision

Schrottvermeidung

Das wichtigste ist, die Entstehung neuen Schrottes zu vermeiden. Hierzu haben sich die Länder der IADC (Inter Agency Space Debris Coordination Committee) auf internationale Richtlinien geeinigt. Die IADC besteht aus Organisationen wie der NASA, ESA und zehn weiteren Raumfahrtagenturen.16
Der erste Punkt umfasst die Vermeidung von Abfällen. Raumfahrzeuge sollen wenig Abfall abwerfen: Keine Abdeckkappen, Adapter und Sprengbolzen. Stattdessen bleiben Kameraabdeckkappen beispielsweise am Raumschiff verankert.17
Die zweite Richtlinie fordert zur aktiven Vermeidung von Explosionen auf. Raumfahrzeuge sollen, wenn sie ausgedient haben, nicht mehr explodieren. Das Entleeren von Treibstofftanks und Batterien sorgt für eine Risikominimierung.18
Wird eine Selbstzerstörung oder Anti-Satelliten-Raketen getestet, soll dies auf geringen Höhen geschehen, sodass die Bruchstücke schnell verglühen.19
Satelliten in hohen Umlaufbahnen sollen mit Resttreibstoff auf eine international vereinbarte Friedhofsbahn gebracht werden. So sollen sie keine Gefahr mehr für andere Raumfahrzeuge darstellen. Alternativ sollen die Satelliten und Raketenoberstufen abgesenkt werden, sodass sie nach spätestens 25 Jahren in die Erdatmosphäre eintreten.20 Die 25-Jahre-Regel wird als eine der wichtigsten Vereinbarungen angesehen. Raketenstufen werden beispielsweise mit einer zusätzlichen Triebwerkzündung wieder abgebremst, um schneller zu verglühen.21
Ein wichtiger Punkt, um Kollisionen zu vermeiden, ist die Kooperation hinsichtlich der Weltraumüberwachungsdaten. Flugbahnen und sonstige Daten sollen zur Verfügung gestellt werden.22

Zur Vermeidung und Entfernung von Weltraumschrott gibt es bis heute keine Gesetze, sondern lediglich Richtlinien und lockere Vereinbarungen.
Die Einhaltung der Richtlinien wird unterschiedlich gehandhabt. Holger Krag vom Weltraumkontrollzentrum ESOC der ESA in Darmstadt erklärt, es gebe immer mehr Satelliten und Raumfahrzeuge, aber keine Gesetze für den Verkehr, auch keine Registrierungspflicht mit Kontaktdaten. So könne man, falls Objekte die Bahnen kreuzen, nicht immer bestimmen, wem sie gehören und könne auch nicht entscheiden, wie eine Kollision verhindert werden solle.23

Beobachtung mit Radaranlagen

Um Weltraumschrott ausweichen zu können, muss man dessen Umlaufbahn und Geschwindigkeit kennen, denn Ausweichmanöver müssen in ausreichend räumlichem und zeitlichem Abstand eingeleitet werden.
Ausweichmanöver können mit der bemannten ISS, aber auch mit unbemannten Satelliten wie ENVISAT oder dem deutschen Radarsatelliten TerraSAR-X geflogen werden.24

Das amerikanische Space-Surveillance Network (US SSN), eine wesentliche Instanz für die Weltraumbeobachtung, meldet am 08.02.2021 ganze 22.249 Objekte im Erdorbit.25 Man geht jedoch von deutlich mehr Schrottteilen aus, denn militärische Daten werden beispielsweise nicht veröffentlicht. Überwachungssysteme der Weltraumobjekte werden deshalb weltweit geführt, um tatsächlich alle Objekte beobachten und die Einhaltung der internationalen Richtlinien kontrollieren zu können.26

Eine lückenlose Verfolgung im LEO ist schon für Objekte mit 5 Zentimetern Durchmesser möglich. Im höheren GEO (Geostationärer Orbit) müssen die Objekte dafür 50 Zentimeter Durchmesser haben.27

Neben der Beobachtung von der Erde aus, wurde auch ein Long Duration Exposure Facility (LDEF) Satellit in den Erdorbit geschickt. Mit ihm sollten die Langzeitwirkungen unter Weltraumbedingungen erforscht werden. Er befand sich 6 Jahre im Orbit, bevor er von der Mission STS-32 geborgen und auf die Erde geholt wurde. An seiner Oberfläche wurden viele mikroskopische Beschädigungen gefunden und eine, die mit bloßem Auge zu erkennen war. Weitere Untersuchungen ergaben viele Informationen über Weltraummüll und Mikrometeoriten.28

Deutschland hat in den letzten Jahren in die Weltraumbeobachtung investiert und ein Weltraumlagezentrum in Uedem mit einer zivil-militärischen Doppelspitze installiert. Es hat die Aufgabe deutsche zivile Systeme, wie den Satelliten TanDEM-X zur stereografischen Erdoberflächenmessung, und militärische Systeme zu schützen, wie SATCOMBw-2 für abhörsichere Telefongespräche und Internet der Bundeswehr.29
Weitere Aufgaben des Weltraumlagezentrums sind die strategische, operative und taktische Beratung von Entscheidungsführern hinsichtlich der Weltraumlage und Warnungen vor Kollisionen mit Meteoriten oder Weltraumschrott. Auch erstellt das Weltraumlagezentrum Prognosen über das Eintreten von Objekten in die Erdatmosphäre und welchen Schaden sie anrichten können. Es warnt vor Angriffen und Annäherungen an deutsche Satelliten und analysiert deutsche Raumfahrtmissionen und Raketenstarts. Weiterhin sollen Zustand, Leistungsdaten und Lebensdauer von eigenen und fremden Satelliten analysiert werden und das Weltraumwetter und Sonnenwinde mit ihren Auswirkungen auf das Satellitensystem beobachtet werden.30

Am 13. Oktober 2020 wurde das German Experimental Space Surveillance and Tracking Radar (GESTRA) in Koblenz eingeweiht.31 Es dient zur Überwachung von Objekten im LEO und wurde vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und dem Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik entwickelt. Anfang 2021 wurde es in Betrieb genommen und soll die Kataloge für Weltraumschrott der NASA und ESA (European Space Surveillance Tracking EUSST) ergänzen.32
Es besitzt 256 einzeln gesteuerte Sende- und Empfangseinheiten und ermöglicht somit die gleichzeitige Beobachtung von beliebigen Stellen am Himmel.33
Durch die digitale Steuerung ist eine Blickrichtungsänderung innerhalb von Millisekunden möglich. Das Radarsignal richtet sich konzentriert in Objektrichtung und wird durch die Empfangseinheiten aufgefangen.34

Illustration einer Computergrafik zum GESTRA

Schrottbeseitigung

Die Situation im Erdorbit kann entschärft werden, wenn jährlich mehrere kritische Trümmerteile entfernt werden können. Wieso ist das bisher noch nicht geschehen?

Um die Trümmerteile aus dem Orbit zu entfernen, muss man sie verlangsamen und kontrolliert abstürzen lassen, sodass sie verglühen.

Doch wie lässt man Objekte abstürzen,
die sich mit so großen Geschwindigkeiten von
ca. 8 Kilometern pro Sekunde um die Erde bewegen?

Sie haben durch ihre Geschwindigkeit eine enorme Zerstörungskraft für alles, was sich ihnen nähert. Viele der Objekte rotieren außerdem unkontrolliert, was es sehr schwierig macht, sie einzufangen. Im Fall eines Einschlags und der Beschädigung eines Aufräumsatelliten entsteht weiterer Müll und im schlimmsten Fall sogar eine Explosion, bei der unzählige weitere Trümmerteile entstehen. Es ist eine sehr große Stützmasse nötig, um so ein schweres und schnell rotierendes Objekt zu stabilisieren und abzubremsen. Am wichtigsten, jedoch auch am risikoreichsten ist die Entfernung von Hochrisikoobjekten in schon sehr verschmutzten Bahnen.35
Es gibt mehrere Forschungsansätze, um zukünftig gegen Weltraumschrott vorgehen zu können. Das Ziel aller Forschungsmissionen ist das Verlangsamen der Objekte bis zum Verglühen.

Der erste Ansatz ist die Geschwindigkeitsverringerung mithilfe eines Hochleistungslasers sicher von der Erde aus.36
Eine sehr starke Strahlung führt zur Zündung eines Plasmas an der Oberfläche des Objektes, also eines heißen Teilchengemischs, dass einen kleinen Rückstoß erzeugen kann.37 Dadurch könnten Objekte abgebremst werden.
Doch so konzentrierte und starke Laser sind noch nicht entwickelt worden. Die Schwierigkeit besteht darin, eine gewaltige Lichtleistung zu erzeugen und durch die Erdatmosphäre gezielt auf ein Objekt zu lenken. In Australien wird mit einem ersten Laser experimentiert, um einen Satelliten um einen Millimeter pro Sekunde zu bewegen.38

Ein weiteres Problem der Weltraumschrottbeseitigung ist die fehlende rechtliche Grundlage, ob eine Verschiebung in Notsituationen trotz eventueller Beschädigungen erlaubt ist, ohne erst einen zeitaufwendigen Bürokratieprozess anstoßen zu müssen.39

Schrottteile kreuzen die Bahn der ISS

Der zweite Forschungsansatz ist der Start eines Aufräumsatelliten. Er soll den Schrott mithilfe eines Greifarms, Netzes oder einer Harpune einfangen und kontrolliert verlangsamen.
Harpunen würden die Schrottobjekte jedoch beschädigen, dabei kleine Teile herauslösen und wenn sich im Schrottobjekt noch Resttreibstoffe befinden besteht die Gefahr einer Explosion.
Vielversprechender klingt das Einfangen mithilfe eines Netzes, was von Airbus Defence und Space simuliert wurde.40
Weitere Ideen sind das Anbringen von Selektoren an den Satelliten, um ein Taumeln von der Erde beobachten zu können. Auch denkbar sind Griffe an zukünftigen Satelliten, an denen Aufräumsatelliten ansetzen können. Langfristig wären Recycling, Reparaturen und Auftanken wünschenswert. Jedoch ist das erst möglich, wenn es entsprechende Schnittstellen gibt.41
Auch wurde ein Konzept entwickelt, bei der man einen Large Area Debris Collector an der ISS anbringen wollte, auf dem Weltraumschrott aufprallt und eingesammelt und analysiert werden kann. Diese Idee wurde jedoch 2007 wegen des hohen Risikos und der schweren Umsetzung wieder verworfen.42
Auch interessant wäre das Anbringen von Raketentriebwerken an größeren Objekten, die ihn verlangsamen können.
Alle Ideen und Möglichkeiten klingen schwierig umsetzbar. Woran wird momentan am meisten geforscht? Was hat die größten Erfolgschancen?

Zeichnung eines möglichen Aufräumsatelliten mit Greifarmen

Geplante Mission der ESA

Mit der Mission ClearSpace-1 will die ESA im Jahr 2025 das erste Schrottobjekt aus dem Orbit entfernen. Ein Aufräumsatellit mit einem vierarmigen Greifer soll an den Schrott heranmanövriert werden, ihn zentrieren und umklammern und in einen niedrigeren Orbit ziehen, wo er zusammen mit dem Schrottobjekt verglüht. Ziel ist der Adapter einer europäischen Vesper-Rakete. Es ist das momentan einzige Ziel, da es wenig geeignete und erreichbare defekte Objekte der ESA im LEO gibt.43
Durch eine Kollaboration mit Studenten der University of Applied Science in Genf wird zusätzlich der Einsatz eines Netzes einbezogen, um den Schrott für den Greifer zu stabilisieren.44
In Zukunft könnten Aufräumvehikel mehrere Satelliten einer Bahn nacheinander entsorgen, bevor sie selbst verglühen.45

Kontrollraum des Columbus-Moduls an der ISS

Quellen und weiterführende Links

1, 3, 10, 24 DLR Raumfahrtmanagement, kein Autor (o.D) Weltraummüll-Forschung https://www.dlr.de/rd/desktopdefault.aspx/tabid-2265/3376_read-5091/ [Eingesehen am 02.02.2021]

2, 33 SPEKTRUM, Karl Urban (21.09.2020) Weltraumradar GESTRA – Schraubenschlüssel im Orbit aufspüren, Crashs vermeiden https://www.spektrum.de/news/weltraumradar-gestra-gegen-weltraumschrott/1767657 [Eingesehen am 02.02.2021]

4, 5, 37 WELT DER PHYSIK, Franziska Konitzer (15.10.2015) Weltraumschrott https://www.weltderphysik.de/gebiet/erde/erde/satelliten-zur-erdvermessung/weltraumschrott/ [Eingesehen am 02.02.2021]

6, 13, 40 SÜDWESTRUNDFUNK, Anja Braun (25.01.2019) Müllabfuhr im All – Wie entsorgt man Weltraumschrott? https://www.swr.de/wissen/article-swr-19720.html [Eingesehen am 02.02.2021]

7 NASA SCIENCE, Steve Price, Dr. Tony Phillips, Gil Knier (20.03.2001) Staying Cool on the ISS https://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2001/ast21mar_1/ [Eingesehen am 03.02.2021]

8, 15, 16, 23, 38, 39, 41, 43, 45 RAUMZEIT, Tim Pritlove (17.11.2020) RZ092 Weltraumschrott-Bekämpfung https://raumzeit-podcast.de/2020/11/17/rz092-weltraumschrott-bekaempfung/ [Eingesehen am 08.02.2021]

9, 12, 21, 27, 28 WIKIPEDIA, mehrere Autoren (09.02.2021) Weltraummüll https://de.wikipedia.org/wiki/Weltraumm%C3%BCll [Eingesehen am 09.02.2021]

11 Critical Density of Spacecraft in Low Earth Orbit: Using Fragmentation Data to Evaluate the Stability of the Orbital Debris Environment, Donald J. Kessler, LOCKHEED MARTIN SPACE OPERATIONS COMPANY, NASA, (02.2000) http://aquarid.physics.uwo.ca/kessler/Critical%20Density-with%20Errata.pdf [S13, 22-24, 45]

14, 35, 42 TERRA X LESCH & CO – ZDF, Suzanna Randall (28.10.2020) Weltraumschrott – das macht ihn so gefährlich https://www.youtube.com/watch?v=OJG56Rnbsyk [Eingesehen am 08.02.2021]

17, 18, 19, 20, 22, 36 BAYRISCHER RUNDFUNK, kein Autor (01.12.2020) Weltraumschrott – Rasend schnell und sehr gefährlich https://www.br.de/wissen/weltraumschrott-satelliten-bruchstuecke-100.html [Eingesehen am 02.02.2021]

25 CELESTRAK, Dr. T.S. Kelso (08.02.2021)(10.02.2021) SATCAT Boxscore https://www.celestrak.com/satcat/boxscore.php [Eingesehen am 08.02.2021]

26 MITTELDEUTSCHER RUNDFUNK, kein Autor (13.10.2020) Ein Katalog für den Weltraumschrott https://www.mdr.de/wissen/weltraumschrott-kollision-alarmsystem-deutschland-100.html [Eingesehen am 03.02.2021]

29, 30 WIKIPEDIA, mehrere Autoren (25.10.2020) Weltraumlagezentrum https://de.wikipedia.org/wiki/Weltraumlagezentrum [Eingesehen am 02.02.2021]

31 DEUTSCHES ZENTRUM FÜR LUFT- UND RAUMFAHRT, kein Autor (13.10.2020) https://www.dlr.de/content/de/artikel/news/2020/04/20201013_weltraumradar-gestra-ist-startklar.html [Eingesehen am 04.02.2021]

32 WIKIPEDIA, mehrere Autoren (29.11.2020) German Experimental Space Surveillance and Tracking Radar https://de.wikipedia.org/wiki/German_Experimental_Space_Surveillance_and_Tracking_Radar [Eingesehen am 04.02.2021]

34 DEUTSCHES ZENTRUM FÜR LUFT- UND RAUMFAHRT, kein Autor (29.11.2019) Weltraumradar GESTRA hat Feuertaufe bestanden https://www.dlr.de/content/de/artikel/news/2019/04/20191129_modernste-radar-technologie.html [Eingesehen am 04.02.2021]

46 WIKIPEDIA, mehrere Autoren (01.12.2020) CleaSpace-1 https://en.wikipedia.org/wiki/ClearSpace-1 [Eingesehen am 02.02.2021]