Gefahr durch Weltraumschrott

Abstürzende Himmelspaläste

Von Piotr Heller
 - 14:14

Es ist nur ein unscheinbarer Punkt auf einer Weltkarte, den sich Holger Krag von der europäischen Weltraumorganisation Esa auf seinem Monitor anschaut. Jetzt, um 11:25 Uhr am Freitag, den 19. Februar, befindet sich der Punkt über dem Südatlantik, ziemlich genau in der Mitte zwischen Argentinien und Südafrika. Innerhalb der nächsten 90 Minuten wird er abermals die gesamte Erde umrunden. Er markiert die exakte Position von „Tiangong-1“, dem „Himmelspalast“. Die erste chinesische Raumstation begann ihren Dienst 2011 in einer etwa 380 Kilometer hohen Umlaufbahn. Im März 2016 brach der Kontakt ab. Seitdem fliegt Tiangong-1 mit 25.000 Kilometern pro Stunde unkontrollierbar um die Erde. Allerdings nicht für immer. Reste der Erdatmosphäre bremsen ihren Flug, wodurch sie absackt. Derzeit ist sie noch etwa 280 Kilometer hoch, doch bald wird der busgroße und 8,5 Tonnen schwere Palast auf die Erde krachen. Für Holger Krag ist das nichts Besonderes.

„Jedes Jahr treten etwa 50 Objekte in die Erdatmosphäre ein, die über eine halbe Tonne wiegen“, sagt der Leiter des „Space Debris Office“ der Esa, also der für den Weltraumschrott zuständigen Stelle der Europäer. Tiangongs bevorstehender Absturz mag kein herausragendes Ereignis sein. Dennoch verfolgen die Experten die Station mit Aufmerksamkeit und modernsten Methoden, um bei ihrem Eintritt in die Atmosphäre etwas über die Physik dahinter zu lernen. Die ist nämlich alles andere als simpel.

Irgendwo zwischen Florenz und Kapstadt

Das erkennt man schon daran, dass der Zeitpunkt des Wiedereintritts noch unklar ist. Der Monitor, auf dem Tiangong als Punkt über den Südatlantik schwebt, steht in einem kleinen Raum des Europäischen Raumflugkontrollzentrums Esoc in Darmstadt. Außer Krag sind noch zwei Mitarbeiterinnen seines dreizehnköpfigen Teams hier. Krag klickt den Punkt an, und es erscheint die Prognose: Irgendwann zwischen Mitte März und Mitte April wird Tiangong auf die Erde stürzen. Und zwar irgendwo südlich von Florenz und nördlich von Kapstadt. Genaueres weiß man derzeit nicht.

Für ihre Prognose berücksichtigen die Forscher die Erdanziehung, die an jeder Stelle der Erde ein bisschen anders ist, die Anziehungskraft des Mondes und der Planeten, den sanften Druck des Sonnenlichtes und den Widerstand der Atmosphäre. „Die genauen Verhältnisse in der Atmosphäre hängen von der Sonnenaktivität ab“, sagt Krag. Und die könne man kaum vorhersagen, was zu der großen Unsicherheit führe. Auch wenn die Forscher die Station auf ihrer letzten Erdumrundung mit einem Radar erwischen und ihre Geschwindigkeit bestimmen, werden sie den Absturzzeitpunkt lediglich auf etwas weniger als eine Stunde genau abschätzen können. „In diesem Zeitraum kann sie noch bis zu 30.000 Kilometer weit fliegen“, sagt Krag. Das bedeutet, dass die Absturzstelle irgendwo auf einem Streifen liegen wird, der sich um die halbe Erde zieht.

Ausgediente Satelliten
Weltraumschrott mit der Sprengkraft einer Handgranate

Sobald Tiangong auf die dichteren Schichten der Atmosphäre trifft, wird die Hitze die Aluminiumhülle schmelzen. Komponenten aus Edelstahl oder Titan könnten die Reibungshitze jedoch überstehen und zu Boden stürzen. „So über den Daumen gepeilt kommen bis zu 40 Prozent durch“, sagt Krag. Das Risiko, dass diese Teile einen Menschen verletzen, sei jedoch „sehr, sehr gering“. In der gesamten Geschichte der Raumfahrt sei das noch nicht vorgekommen.

Dennoch nimmt Krag das Thema ernst. Bei jeder geplanten Mission berechnen er und sein Team, wie viel Schrott am Ende auf die Erde fallen wird. Wenn sich dabei herausstellt, dass die Wahrscheinlichkeit für einen Unfall die Grenze von 1 zu 10.000 überschreitet, müssen die Ingenieure einen kontrollierten Wiedereintritt planen. „Das haben wir mit dem europäischen Transportschiff ATV fünfmal gemacht“, erinnert sich Krag. Jedes Mal ist das ATV dabei in den Südpazifik gestürzt. Einen solchen Absturz haben die Experten gefilmt. Krag öffnet das Video. Deutlich ist das glühende, 20 Tonnen schwere Raumschiff zu sehen. „Bei 75 Kilometern Höhe haben wir eine Explosion vorhergesagt, weil da die Treibstoffleitungen freiliegen dürften“, sagt Krag. Tatsächlich wurde die Kapsel in dieser Höhe in viele glühende Bälle zerrissen.

Eine neue alte Methode

Solche Prognosen errechnen die Forscher mit Computermodellen, die jedes Detail eines Wiedereintritts simulieren. Bei Tiangong-1 ist das nicht möglich, zu unklar ist der genaue Aufbau der Station. Trotzdem wollen Wissenschaftler so viel wie möglich aus dem Absturz lernen. Sie werden das Labor deshalb auch mit einer Methode untersuchen, die noch in den Kinderschuhen steckt.

Beim sogenannten Satellite Laser Ranging etwa schickt man einen Laserstrahl in Richtung eines Satelliten, von dem aus ein Spiegel das Licht zurück zu einem Sensor wirft. Aus der Zeit, die das Licht für seine Reise braucht, kann man den Abstand zum Satelliten bis auf einige Zentimeter genau bestimmten. Seit den 60er Jahren gibt es dieses Messprinzip zur Ortung von Satelliten. Es ist heutzutage wirklich nichts Spektakuläres mehr. Spektakulär sind jedoch die Versuche, mit diesem Prinzip Weltraumschrott zu orten.

Gar nicht allein im All

Tiangong-1 ist zwar ein sehr großes Stück Schrott, doch ist es nur eines von schätzungsweise 29.000 Raumfahrttrümmern von mindestens zehn Zentimeter Größe, die im Erdorbit treiben. Darunter sind Raketenstufen, ausgemusterte Satelliten, Bruchstücke explodierter Satelliten und Überreste zweier Ereignisse der letzten Jahre. 2007 hat China einen seiner Wettersatelliten abgeschossen und dabei 3400 Fragmente produziert. Im Februar 2009 kollidierten ein „Iridium“- und ein „Kosmos“-Satellit mit knapp 40.000 Kilometern pro Stunde. Auch dabei entstanden Tausende neuer Trümmer.

Den Müll gilt es, so gut es geht im Auge zu behalten. Das strategische Kommando der Vereinigten Staaten führt über 23.000 der Schrottfragmente Buch. Mehrmals am Tag wird ihre Position überprüft. In tiefen Umlaufbahnen bis zu 2000 Kilometer Höhe geschieht das mittels ausgedehnter Radar-Systeme, die über die ganze Welt verteilt sind und ursprünglich im Kalten Krieg nach ballistischen Raketen spähen sollten. Heute erfassen sie Schrottteile, die mindestens zehn Zentimeter groß sind. Weiter draußen, etwa im geostationären Orbit, wo sich Satelliten in 35 .000 Kilometer Höhe befinden, wird der Schrott mit optischen Teleskopen überwacht. Dort liegt die Nachweisgrenze bei 30 Zentimeter Durchmesser.

Die amerikanischen Daten stehen auch der Esa zur Verfügung. Krag öffnet ein Computerprogramm, in dem er alle aktiven Esa-Satelliten auswählen kann. Er klickt auf Sentinel-1B und bekommt sofort alle Objekte angezeigt, die in den nächsten sieben Tagen mit dem Erdbeobachtungssatelliten kollidieren könnten. In zwei Fällen wird eine Kollision mit einer Wahrscheinlichkeit von 1 zu 10.000 prognostiziert. Das ist recht viel für eine Begegnung im All. Eines dieser Teile stammt vom Iridium-Kosmos-Crash, das andere vom chinesischen Anti-Satelliten-Test. „Das zeigt, wie sehr wir mit diesen beiden Ereignissen zu kämpfen haben“, sagt Krag. Die möglichen Zusammenstöße sollen laut den Berechnungen in fünf Tagen passieren. Krag wird die Daten weiter beobachten. Doch werden, das ist inzwischen klar, diese beiden Trümmer nicht zu einem Manöver führen.

Hin und wieder ist das der Fall. Wenn die Wahrscheinlichkeit für einen Zusammenstoß drei Tage vor dem Ereignis groß genug ist, informiert Krag das „Flight Operations Team“, also die Leute, die den Satelliten fliegen. Einen Tag vor dem Crash erfahren die Flugdynamiker davon, damit sie ein Ausweichmanöver planen und testen können. Spätestens zwölf Stunden vor dem prognostizierten Zusammenstoß muss alles bereit sein, dann kann der Befehl zum Satelliten gefunkt werden. „Pro Satellit ist das etwa zwei- bis dreimal im Jahr der Fall“, sagt Krag. Die internationale Raumstation ISS musste schon mehr als zwanzigmal Schrott ausweichen.

Das Laser Ranging ist viel genauer

Weil solche Manöver aufwendig sind, will man sie nicht unnötig durchführen. Das Problem ist aber, dass man den Weltraumschrott mit Radar in der Regel nur auf einige hundert Meter genau orten kann. Das Laser Ranging ist viel genauer. Am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) untersucht Wolfgang Riede diese Möglichkeit. Gemeinsam mit dem Grazer Institut für Weltraumforschung ist es ihm so 2012 erstmals in Europa gelungen, die Position eines Objekts ohne Spiegel zu bestimmen.

„Wir müssen einen Laserstrahl sehr genau auf das Teil ausrichten“, sagt Riede. Sehr genau bedeutet in dem Fall: Auf 1000 Kilometer Entfernung darf die Abweichung nur zehn Meter betragen. Dazu verfolgen die Forscher den Schrott in der Dämmerung zunächst mit optischen Teleskopen und senden dann kurze Laserpulse aus. Pro Puls schicken sie etwa eine Trillion Lichtteilchen los, eine Eins mit 18 Nullen. „Davon kommt nach einigen Millisekunden, statistisch gesehen, weniger als ein Photon pro Puls wieder bei uns am Sensor an“, erklärt Riede. Der Rest wird an der Atmosphäre und am Weltraumschrott selbst in alle Richtungen gestreut. Entsprechend sensibel müssen die Sensoren sein, um die Handvoll Photonen zu erkennen und daraus die Bahnhöhe des Schrotts auf weniger als einen Meter genau zu bestimmen.

„Die praktische Anwendung wäre ein günstiges System, mit dem man Ausweichmanöver besser planen kann“, sagt Riede. Dazu brauchte man ein weltweites Laser-Netzwerk, das automatisch arbeitet. Das DLR will dieses Konzept bald mit einem mobilen Laser-Ranging-Container an verschiedenen Orten testen.

Je mehr Satelliten desto mehr Schrott

Auch Tiangong-1 soll mit einem Laser bestrahlt werden. „Im Februar wird man Gelegenheit dazu haben“, sagt Riede. Die Hoffnung ist dabei, nicht nur die genaue Höhe zu bestimmen. Die Forscher wollen den Himmelspalast mit genügend Pulsen treffen, um zu erkennen, wie er in Flugrichtung orientiert ist. Rotiert oder taumelt er? Steht er quer oder längs? „An diesen Daten ist die Esa interessiert“, sagt Riede. Denn aus der Orientierung Tiangongs kann man den Luftwiderstand besser berechnen und damit wiederum den Wiedereintritt genauer vorhersagen.

Der ganze Aufwand zeigt, wie groß das Problem Weltraumschrott inzwischen geworden ist. Und es wird größer. Mit immer mehr Satelliten und neuen Kollisionen im Orbit entsteht auch immer mehr Schrott. Daher gibt es Regeln, um das All sauber zu halten. Ausgediente Satelliten sollen ihren Treibstoff vollständig aufbrauchen, um nicht zu explodieren. Raketenstufen müssen sich mit ihrem restlichen Treibstoff möglichst weit absenken, um höchstens 25 Jahre im All zu verweilen oder auf gesonderten Friedhofsbahnen geparkt zu werden.

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Es gibt auch schon Ideen, Weltraumschrott aus dem Orbit zu entfernen. Kleine Teile ließen sich gezielt mit Lasern beschießen, um sie abzubremsen und somit schneller auf die Erde fallen zu lassen. Größere Brocken könnte man mit Netzen oder Harpunen einfangen. Dieses Jahr will ein britisches Unternehmen die Mission „RemoveDEBRIS“ starten. Sie soll mit kleinen Satelliten das Prinzip eines Fangnetzes testen. Die Esa plant im nächsten Jahrzehnt eine erste Mission, bei der tatsächlich Weltraumschrott eingefangen werden soll.

Holger Krag begrüßt die Aktion, denn sie verspricht nicht nur Wissen über den Schrott, sondern auch darüber, wie man sich Satelliten am besten annähert. Das könnte man in Zukunft für Wartungs- oder Betankungsmissionen im All nutzen. „Heute ist eine Mission vorbei, sobald der Tank leer ist“, sagt Krag. Wenn man es aber schafft, Satelliten im Orbit zu versorgen, würden sie viel länger überleben. Und damit nicht so schnell zu Weltraumschrott werden.

Quelle: F.A.S.
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