Die Erfassung und Vorhersage

Um laufende und künftige Missionen vor den gefährlichen Debris zu schützen sowie Müllvermeidungsstrategien entwickeln zu können, muss zunächst der Istzustand erfasst werden, um daraus Prognosen für die weitere Entwicklung ableiten zu können. Das wird derzeit vor allem vom US Space Surveillance Network (US SSN) übernommen.

Die Organisation gibt regelmäßig einen Katalog mit den Bahnelementen der erfassten Objekte heraus. Offen zugänglich ist jedoch nur ein Teil der Daten, denn militärische Dienststellen haben kein Interesse daran, dass Bahndaten einiger geheimer Militärsatelliten bekannt werden.

Russland betreibt ein ähnliches System und auch die ESA wird im Rahmen des europäischen Space Situational Awareness Programms ihre Aktivitäten auf diesem Gebiet ausbauen, in dem sie eine geeignete Infrastruktur zur Beobachtung schafft.

Beobachtung mit Teleskopen und Radar

Das ausgedehnte Beobachtungsnetz des US SSN verfügt über 17 Radaranlagen und acht leistungsfähige Teleskope. Je nach Höhe der Umlaufbahn variiert die erfassbare Größe der Objekte. Unter 200 Kilometern Höhe können Teile mit Durchmessern zwischen fünf und zehn Zentimetern noch erkannt werden, für die geostationäre Bahn in 36.000 Kilometern Höhe sind es etwa 50 Zentimeter.

Die Bahnen der einzelnen Objekte werden jedoch nicht kontinuierlich verfolgt, sondern deren „Standort“ (in Wirklichkeit bewegen sie sich ja auf einer Bahn um die Erde) wird in bestimmten Zeitabständen ermittelt und daraus der Bahnverlauf errechnet.

Aus den Daten des SSN-Katalogs lassen sich Rückschlüsse über die Verteilung der Fragmente erzielen. Den größten Anteil des SSN Katalogs mit 77 Prozent beherbergt der Bereich der niedrigen Bahnen unterhalb von 2000 Kilometern Höhe, sechs Prozent befinden sich im Gebiet der geostationären Bahn, und 17 Prozent verteilen sich auf Bahnen mit mittlerer Höhe und Bahnen jenseits des geostationären Orbits.

Dort wo die meisten Raumfahrtaktivitäten stattfinden häufen sich also auch die Fragmente. Etwas verfeinert betrachtet ist sie im Bereich um etwa 900 Kilometern am höchsten, während im Umfeld der Internationalen Raumstation ISS, in etwa 350 Kilometern Höhe, die Dichte der Teilchen nur noch etwa ein Zehntel dessen beträgt. Aus diesem Bereich stürzen allerdings auch viele Fragmente relativ schnell ab, wobei die meisten von ihnen in der Atmosphäre verglühen.

Einschlagdetektoren im Weltraum

Unterhalb der Grenzwerte des SSN-Weltraumüberwachungssystems existiert eine Population von Raumfahrtrückständen, deren Erfassung nur noch durch experimentelles bodengestütztes Radar und optische Hochleistungssensoren oder (speziell im Submillimeter-Bereich) durch den Einsatz von Einschlagdetektoren möglich ist. Als Einschlagdetektoren dienen dabei Satelliten oder Teile von ihnen, die nach einem Weltraumaufenthalt zur Erde zurückgeholt und auf Einschlagspuren untersucht werden können.

Dazu eignen sich besonders großflächige Teile, wie beispielsweise die beiden Solarzellenflächen des Hubble-Teleskops, die von der ESA gebaut wurden. Die umgangssprachlich auch als Sonnensegel bezeichneten Strukturen wurden während zweier Reparatur-Missionen in 1993 und 2002 ausgetauscht. Dabei wurden drei der vier Solarzellenflächen zwecks Analyse zur Erde zurückgebracht.

Das ESA MASTER-Modell liefert ein Gesamtbild

Um nun ein Gesamtbild der Fragmenthäufigkeit und -verteilung sowie deren weiteren Entwicklung zu erhalten, helfen nur mathematische Modelle weiter. Als Basis dienen die SSN-Katalogdaten sowie räumlich und zeitlich begrenzte experimentelle Messungen der kleineren Fragmentstücke einschließlich der Daten von Einschlagsensoren.

Ein derartiges Modell wurde unter der Federführung der TU Braunschweig entwickelt: das ESA MASTER Modell (Meteoroid and Space Debris Terrestrial Environment Reference). Das MASTER Modell reproduziert auf der Basis von bekannten Starts beginnend bei Sputnik 1, sowie Freisetzungs- und Zerlegungsereignissen eine komplette Historie der dreidimensionalen, zeitlich veränderlichen Verteilung von Raumfahrtrückständen größer als ein Mikrometer in Bahnhöhen bis hin zum geostationären Ring.

Dabei werden Freisetzungen, Explosionen und Kollisionen durch mathematische Ansätze modelliert, die zum einen auf physikalischen Prinzipien beruhen, und zum anderen durch Experimente überprüft wurden. Jedes dieser modellierten Ereignisse vergrößert die Müllmenge.

Mithilfe von Beobachtungsdaten kann das Modell kalibriert werden, um ein möglichst originalgetreues Abbild der Wirklichkeit zu erhalten. Neben etwa 250 Zerlegungsereignissen (meist Explosionen) berücksichtigt das MASTER Modell weitere Müllverursacher im Orbit. Dazu gehören rund 1.100 Zündungen von Feststoffantrieben.

Für längerfristige Vorhersagen wurde bei der ESA das DELTA-Modell entwickelt (Debris Environment Long-Term Analysis), das Vorhersagen für die nächsten 200 bis 300 Jahre errechnet. Es setzt auf eine von MASTER bereitgestellte Teilchenpopulation auf und bewertet die weitere Entwicklung der Population sowie das Kollisionsrisiko.

Ergebnisse aus verschiedenen Quellen zeigen, dass ohne aktive Gegenmaßnahmen in den nächsten 50 Jahren ein unkontrollierbarer Anstieg der Fragmentzahl erfolgen wird.