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SST- Weltraumüberwachung: Ein Katalog für die gefährlichsten Schrottteile

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ESA / Space in Member States / Germany

Der 23. August 2016 ist ein Datum, das im Darmstädter Satellitenkontrollzentrum ESOC der ESA in Erinnerung bleiben wird. An diesem Tag registriert das Kontrollteam von Sentinel-1A, dem Erdbeobachtungssatelliten der Copernicus Mission von ESA und Europäischer Kommission, eine plötzliche Kursabweichung und geringen, aber permanenten Energieabfall. Betroffen ist ein Solar-Paneel. Die Webcam der Sonde zeigt einen 40 Zentimeter großen Einschlag.

Was dem Steinschlagschaden einer Autowindschutzscheibe nicht unähnlich sieht, wurde durch ein Trümmerfragment verursacht. Raumfahrtrückstände oder Weltraummüll nennen Wissenschaftler die Abertausend Schrottteile, die die Erde mittlerweile wie ein Insektenschwarm umkreisen. Das millimeterkleine Objekt, das Sentinel-1A traf, konnte nicht rechtzeitig geortet werden. Die ESA konnte die Mission fortsetzen, aber ein Einschlag im Hauptkörper statt im Solar-Paneel hätte zum Ausfall des Satelliten führen können. Weltraummüll ist mittlerweile zur größten Gefahr für die Infrastruktur im All geworden. 

Ein Schutzsystem für Satelliten

Sentinel-1A fragment impact in space
Sentinel-1A fragment impact in space

Dass es nicht zu schweren Kollisionen, Schäden oder Totalausfällen kommt, daran arbeitet das Team um Dr. Tim Flohrer, Weltraumschott-Analyst und Co-Manager des Space Surveillance and Tracking Segment (SST) im ESOC. SST lässt sich verkürzt mit Weltraumüberwachung übersetzen. Die Wissenschaftler befassen sich mit dem Aufbau eines Hard- und Software-Systems zur genauen Ortung des Schrotts. Die Experten/innen wollen ein Sensor-Netzwerk für Europa knüpfen, das als Schutzschild für die Infrastruktur im All dienen soll. Ein stets aktueller Katalog für Weltraumrückstände ist geplant. SST gehört zum SSA-Programm der Europäischen Raumfahrtorganisation. Rund 20 Millionen Euro investieren die Mitgliedsstaaten der ESA bis 2020 in den Space Suveillance and Tracking Bereich.

Mehrmals im Jahr Ausweichmanöver

Mehrmals im Jahr müssen ESA-Satelliten Manöver fliegen, um den Schrottteilen zu entgehen, die mit bis zu 56 000 km/h wie fliegende Geschosse durchs All vagabundieren. Seit dem Start von Sputnik 1957 umrunden nicht nur über 6600 intakte und ausgediente Satelliten die Erde, sondern auch ausgebrannte Raketenoberstufen, verlorengegangene Teile sowie Trümmer in Millimeter- oder Metergröße, die sich durch erneute Kollisionen immer weiter vermehren. 2009 etwa stießen der US-Satellit Iridium 33 und die ausgemusterte russische Sonde Kosmos-2251 zusammen und hinterließen über 2200 Fragmente größer als 10 Zentimeter. Insgesamt sind rund 18 000 bis 20 000 Objekte bis zu 10 Zentimeter Größe bekannt, davon 5000 Trümmer von einem Meter Größe. Hinzu kommen über 750 000 Teile, die größer als einen Zentimeter sind. „Und über 160 Millionen, die größer als 1mm sind“, verdeutlicht ESA-Experte Flohrer die schier unfassbare Menge.

Ein Auge auf die größten Objekte

Space Debris
Space Debris

Das SST-Team konzentriert sich vorerst auf die großen Schrottfragmente, die Missionen und Menschen gefährden können. Rund 18 000 Objekte von zehn Zentimeter Größe und darüber sind bekannt und katalogisiert. Bei SST geht es darum, Kollisionen mit Satelliten zu verhindern, aber ebenso um eine Prognose für den Wiedereintritt von Objekten in die Atmosphäre. Dass Weltraumschrott auch auf der Erde zur Bedrohung werden kann, veranschaulicht Tim Flohrer mit einer von blauen und roten Punkten übersäten Weltkarte. Blau markiert den Wiedereintritt von Satelliten, Rot den von Oberstufen. „Es gibt rund ein Ereignis pro Woche."

Europäer wollen eigene Daten sammeln

Bisher müssen sich die Europäer bei der Ortung der Weltraumrückstände meist auf Daten der Amerikaner verlassen. Das US Weltraum-Überwachungs-Netzwerk verfolgt und katalogisiert alle größeren Objekte. Doch die ESA und ihre Mitgliedsstaaten wollen mit SST Technologien für ein eigenes, unabhängiges europäisches System entwickeln. „Finden – verfolgen – identifizieren – wiederfinden – charakterisieren“ so beschreibt Experte Flohrer den Ansatz, den die ESA mit ihrem Space Surveillance and Tracking Bereich verfolgt. Ein europäischer Katalog für Weltraumschrott ist das abschließende Ziel, welches nur durch länderübergreifende Zusammenarbeit erreicht werden kann. Mehrere Komponenten am Boden und auch im All sollen der Technologieentwicklung dienen: Teleskope wie das 1 Meter Teleskop der ESA in Teneriffa, Spanien, können Objekte größer als 15 Zentimeter im Geostationären Orbit (36 000 Kilometer über der Erde) erkennen. Dort sind vor allem Wetter-, Telekommunikations- und Fernsehsatelliten positioniert. Mit Radar sollen Fragmente größer als zwei Zentimeter im Low Earth Orbit (LEO), der erdnahen Umlaufbahn gesichtet werden, wo Erdbeobachtungssatelliten kreisen. Zudem soll im LEO die Position von Schrottteilen mit der Technik des Laser Ranging bestimmt werden. Dabei dient die Zeitdifferenz eines Laserimpulses zum Objekt und zurück als Anhaltspunkt für die genaue Ortung von Fragmenten und deren Bahn.

Katalog für Schrotteile und Vorhersage-Dienst

Konzept für das zukünftige SST-Netzwerk
Konzept für das zukünftige SST-Netzwerk

Die daraus gewonnen Daten sollen in eine Software eingespeist werden, die Grundlage ist für einen Katalog, der die aktuelle Position und Bahn gefährlicher Schrottteile im All auflistet. An dieser Technologie, diesem Expertise-Dienst, der Satellitenbetreibern zur Verfügung gestellt werden soll, arbeitet das SST-Team. Ziel ist die genaue Vorhersage möglicher Kollisionen und Gefahren, eine Art Wettervorhersage für Weltraumschrott. Welche engen Vorbeiflüge an Satelliten werden sich in den nächsten Tagen ereignen? Diese Wahrscheinlichkeitsrechnung gehört heute schon zum Alltag. Das Space Debris Büro im ESOC erforscht seit über 30 Jahren die steigende Zahl an Fragmenten, die das Operieren im Orbit immer gefährlicher machen. Analyst Tim Flohrer und seine Kollegen berechnen die Bahnen der Rückstände und geben Auskunft, ob für die ESA-Satelliten Ausweichmanöver gesteuert werden müssen. „Eine Bahnänderung ist ungefähr monatlich der Fall, aber fünf Mal so häufig diskutieren wir, ob es nötig ist“, sagt er.

Globales Problem

Die Gesellschaft ist angewiesen auf Satelliten für Telekommunikation, Wettervorhersage, Klima- und Katastrophenschutz, Internet oder Navigation. Kollisionen zu vermeiden, ist wichtig für den Erhalt der Infrastruktur im All und um nicht noch mehr Schrott zu produzieren, der stetig neue Zusammenstöße verursacht. Eine solche, irgendwann nicht mehr beherrschbare Kettenreaktion wird Kessler-Syndrom genannt. Zum geplanten Expertise-Dienst des SST-Bereiches sollen daher auch Anwendungen gehören, die Informationen zur Kollisionsvermeidung geben.

Nötig ist dafür der Aufbau eines Netzwerkes aus Experten-Zentren und Radaranlagen, so Tim Flohrer. Einige nationale Netzwerke gibt es schon. So verfügt die französische Raumfahrtorganisation CNES über Sensoren und Teleskope in Südfrankreich, Chile, und La Réunion, die Informationen in das französische „Low Orbit Data Base“ liefern. Unter der Leitung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) wurde am Niederrhein ein Deutsches Lagezentrum zur Weltraumüberwachung geschaffen. Der Sensor GESTRA (German Experimental Surveillance and Tracking Radar) soll ab 2018 Daten liefern.

Clean Space-Initiative der ESA und internationale Kooperationen

Integrals Umlaufbahnen 2002–17
Integrals Umlaufbahnen 2002–17

ESOC-Leiter Rolf Densing und ESA-Generaldirektor Jan Wörner sehen im Weltraumschott ein „weltweites Problem, das wir nur global und gemeinsam lösen können.“ Die Erdumlaufbahnen müssten für künftige Generationen nutzbar bleiben. Die ESA setzt auf eine international engere Kooperation. Alle Nationen und auch private Betreiber müssten ein Interesse daran haben, dass der Weltraum nicht „vergiftet“ werde durch eine steigende Zahl an Trümmerteilen. Erst recht, seit große Konstellationen ins All gebracht werden sollen. Kommerzielle Betreiber planen tausende Satelliten für Kommunikation und Internet aus dem All in die Umlaufbahnen zu schießen. Das könnte das Risiko weiterer Kollisionen erhöhen.

Ein bindendes Müllgesetz im All gibt es nicht. Das Inter-Agency Space Debris Coordination Commitee (IADC), dem 13 Mitglieder angehören, hat 2002 Richtlinien zur Eindämmung von Weltraumschrott gegeben. ESA Missionen werden so geplant und ausgerüstet, dass kein neuer Weltraumschrott entsteht. Um unkontrollierte Explosionen zu verhindern, werden bei Missionsende Tanks und Batterien entleert. 2011 wurde ERS-2 in einen tieferen Orbit gebracht bevor er abgeschaltet wurde. Das soll die Aufenthaltsdauer im dichtbesetzten tiefen Orbit verkürzen. 2013 hat die ESA ihre alten Sonden Planck und Herschel in einen Orbit um die Sonne gebracht, damit sie keine Zusammenstöße auslösen. 2015 wurden die Integral- und Cluster-1-Satelliten so positioniert, dass sie bis 2025 zur Erde absinken und verglühen.

Müllvermeidung und aktive Trümmerentsorgung sind eine Strategie. Studien verschiedener Raumfahrtagenturen zeigen, dass die Situation im erdnahen Orbit zwischen 600 und 1000 Kilometern Höhe entschärft werden könnte, wenn jährlich fünf bis zehn der größeren, kritischen Trümmerteile entfernt werden könnten. Die „CleanSpace“ Initiative der ESA setzt auf neue Technologien, etwa eine Art Aufräumsatellit, der größere Objekte mit Netzen einsammeln oder durch Kursänderung oder Abbremsen zum kontrollierten Wiedereintritt und Verglühen in der Erdatmosphäre bringen könnte. „Wir müssen aktiv werden, sonst ist es irgendwann zu spät“, betont auch Tim Flohrer. SST soll dabei helfen.

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