VSAO JOURNAL Nr. 5 - Oktober 2020

Fokus
Am Nachmittag des 10. Februars
2009 stiess über Sibirien in einer
Höhe von rund 800 Kilometern
der aktive Telefoniesatellit
Iridium 33 mit dem ausgedienten
Kommunikationssatelliten Kosmos 2251
zusammen. Der Aufprall erfolgte mit einer
Geschwindigkeit von 11,7 Kilometern
pro Sekunde und erzeugte eine Trümmerwolke
aus über 2000 Bruchstücken, die
grösser als 10 Zentimeter waren. Innerhalb
weniger Monate breiteten sich diese
Trümmer weiträumig aus und drohen
seither mit weiteren aktiven Satelliten zusammenzustossen.
Dieses Ereignis war ein Weckruf für
sämtliche Satellitenbetreiber, aber auch
für die Politik. Die Problematik von so genanntem
Weltraumschrott (engl. «space
debris») – ausgedienten künstlichen Objekten
im Weltraum – erhielt eine neue Dimension.
Mit der Problematik befassen
sich Experten und Weltraumagenturen
jetzt bereits seit bald 50 Jahren. Schweizer
Forschung liefert die wissenschaftlichen
und empirischen Grundlagen für Modelle
und Massnahmen, um die Anzahl der Objekte
zu stabilisieren, damit auch in Zukunft
eine sichere und nachhaltige Nutzung
des Weltraums möglich ist.
Vor allem Abfall im All
Die Weltraumfahrt hat seit dem Start des
ersten künstlichen Erdsatelliten Sputnik 1
am 4. Oktober 1957 unweigerlich Weltraumschrott
im erdnahen Raum hinterlassen.
Bei jedem Start besteht nur ein
sehr kleiner Teil der in den Weltraum gebrachten
Gesamtmasse aus der aktiven
Nutzlast. Oft wird ein grosser Teil der Masse
innerhalb kurzer Zeit zu Weltraumschrott,
da zum Beispiel die Oberstufe der
Trägerrakete in einer Erdumlaufbahn belassen
wird. Am Ende ihres Lebens wird
auch die eigentliche Nutzlast, falls sie im
Orbit belassen wird, zu Weltraumschrott.
Somit ist es nicht verwunderlich, dass die
derzeit rund 2500 aktiven Satelliten weniger
als 10 Prozent der Gesamtzahl bekannter
künstlicher Objekte, die grösser
als 10 Zentimeter sind, im Weltraum ausmachen.
Die meisten Schrottteile mit Durchmessern
von mehr als einigen Zentimetern
sind Fragmente, welche durch Explosionen
und Kollisionen im Weltraum entstanden
sind. Bis heute haben mehr als 300
solche Ereignisse stattgefunden, darunter
Explosionen von ausgedienten Raketenoberstufen,
Hilfsmotoren und sogar von
Satelliten. Dies kann geschehen, weil sich
etwa Resttreibstoff noch nach vielen Jahren
entzündet oder Batterien in toten
Satelliten überladen werden und auseinanderbrechen.
Bahnen von ca. 25 000 Objekten
bekannt
Um die aktuelle Population von Weltraumschrott
besser zu verstehen, sind
aufwändige Beobachtungen mit bodengestützten
Radaranlagen und optischen
Teleskopen nötig. Mit solchen Messungen
können grössere Objekte regelmässig verfolgt
und ihre Bahnen bestimmt werden.
Heute kennen wir die Bahnen von etwa
25 000 Objekten in Höhen von 300 bis
40 000 Kilometern. Für Teile, die kleiner
als etwa 10 Zentimeter sind, sind nur statistische
Angaben möglich. Die Messungen
deuten auf eine Gesamtzahl von ca.
900 000 Raumschrottobjekten von zwischen
1 und 10 Zentimetern Grösse hin.
Die Teilchen mögen klein sein, sie sind
aber keineswegs ungefährlich: Bei einer
Kollision mit einem Teilchen von einem
Zentimeter Durchmesser wird die Energie
einer explodierenden Handgranate freigesetzt.
In gewissen Bahnbereichen ist das
Risiko für Kollisionen schon heute so
hoch, dass aktive Satelliten regelmässig
Manöver durchführen müssen, um Schrottteilen
auszuweichen. Die Europäische
Weltraumagentur ESA verarbeitet für ihre
Satellitenflotte jede Woche etwa zwei
Kolli sionswarnungen pro Satellit und
führt entsprechend Dutzende von Manövern
pro Jahr durch. Damit lassen sich
zwar Kollisionen mit Objekten, die grösser
als etwa 10 Zentimeter sind, die Satelliten
vollständig zerstören und eine Unzahl von
Bruchstücken erzeugen, verhindern, nicht
aber «tödliche» Einschläge von kleineren
Objekten, deren Bahnen wir nicht kennen.
Für den Satellitenbetreiber wird das Risiko
für die einzelne Mission also nur bedingt
verkleinert, aber – und dies ist entscheidend
– es wird verhindert, dass
Trümmerteile entstehen, die wiederum
mit anderen Objekten kollidieren können
und somit eine verheerende Kettenreaktion
auslösen können. Dieses sogenannte
«Kessler-Syndrom», benannt nach Donald
Kessler, der das Phänomen 1978 als Erster
beschrieben hat, bleibt aber weiterhin eine
Tatsache, da wir zurzeit Kollisionen
zwischen grösseren Raumschrottteilen
nicht verhindern können.
Die Situation wird heute verschärft
durch die extreme Zunahme von Kleinsatelliten,
so startet zum Beispiel die private
Firma SpaceX zurzeit jeden Monat mehr
als 60 Satelliten. In diesem Fall ist das Ziel,
eine sogenannte Konstellation von über
1500 Satelliten zu erstellen, um weltweit
schnelles Internet anzubieten. Andere
Konstellationen mit mehreren Zehntausend
Satelliten sind in Planung. Die Miniaturisierung,
und die damit einhergehenden
Einsparungen bei den Startkosten,
haben es auch Schweizer Firmen und
Universitäten erlaubt, ihre eigenen Kleinsatelliten
in den Weltraum zu bringen.
Auf der Suche nach Raumschrott
Am Astronomischen Institut der Universität
Bern suchen wir mit Teleskopen am
«Swiss Optical Ground Station and Geodynamics
Observatory» in Zimmerwald
bei Bern sowie mit einem Teleskop der
ESA im spanischen Teneriffa nach Raumschrottteilen,
um die aktuelle Population
(Anzahl, Grössen, Objekttypen, Bahnen
usw.) genauer zu verstehen. Wir konzentrieren
uns dabei auf kleine Raumschrottteile
in hohen Erdumlaufbahnen. Neben
den Bahnregionen der Navigationssatelliten
(in ca. 20 000 km Höhe) wird die Region
des so genannten geostationären Rings in
36 000 Kilometern Höhe genauer untersucht.
Dort stehen Satelliten «fest» über
einem Punkt des Äquators und beobachten
immer den gleichen Ausschnitt der
Erdoberfläche (Wettersatelliten), oder sie
strahlen immer in die gleiche Region Signale
aus (Kommunikationssatelliten). Die
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