Der Müll über unserer Erde, Teil1

Foto: ESA
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Der Vorstoß der Menschen ins Weltall hinterließ Spuren: Zurück blieben Schrottteile, die entstehen, weil man Trägerraketen mit Wegwerf-Stufen einsetzt, missionsbedingt Objekte freisetzt und dadurch, dass Satelliten außer Betrieb genommen werden. Nachfolgendes Auseinanderbrechen oder ähnliches erhöht die Zahl der Trümmer zusätzlich.

Zu einer extrem kritischen Situation kam es am 21. Januar 2010. Da flog ein ESA-Satellit nur rund 50 Meter an einer ausgedienten oberen Raketenstufe vorbei. Die Wahrscheinlichkeit eines Zusammenstoßes lag nach der berechneten Vorbeiflugentfernung bei mehr als 1 zu 80.

Foto: ESA
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Erst eine halbe Umlaufbahn vor der vermeintlichen Kollision erhöhte ein Ausweichmanöver die Entfernung auf sichere 130 Meter.

Bereits vier größere Kollisionen ereigneten sich auf erdnahen Umlaufbahnen. Die gravierendste Kollision bisher war die zwischen dem amerikanischen Kommunikationssatelliten Iridium-33 und einem ausgedienten russischen Militärsatelliten, Kosmos-2251 am 10. Februar 2009. Beide Satelliten kollidierten mit einer relativen Geschwindigkeit von etwa 42.000 km/h. Daraus resultierten 2.000 neue Trümmerteile, die nun von Boden aus mit Radar verfolgt werden können. China‘s Feng Yun-1C Abfang-Aktion erhöhte die Gesamtzahl an auffindbaren Trümmerteilen um weitere 25 %.

In den Pionierjahren war die Raumfahrt hauptsächlich eine Angelegenheit von nationalem Prestige, der technologische Fortschritt wurde getrieben von dem Wunsch, erster zu sein. Dieser Wettlauf resultierte in einer beeindruckenden Zahl von Raketenstarts, besonders bei militärischen Aufklärungs- und Kommunikationssatelliten. Nach rund 5000 erfolgreichen Satellitenstarts drohen nun einige Umlaufbahnen zu verstopfen.

Prof. Dr. Heiner Klinkrad, Leiter des ESA-Büros für Weltraumtrümmer
Prof. Dr. Heiner Klinkrad, Leiter des ESA-Büros für Weltraumtrümmer

Kollisionswarnungen für Satelliten in den kritischen Höhen auf polaren Umlaufbahnen werden regelmäßig verbreitet, im Schnitt kommen ungefähr 10 Objekte näher als zwei Kilometer an diese Satelliten heran. In den letzten Jahren musste die ESA jährlich drei Ausweichmanöver durchführen. Ungefähr 17.000 von Menschen gemachte Objekte werden momentan regelmäßig vom Boden aus verfolgt. Etwa 10.000 dieser Objekte sind Fragmente, die bei mehr als 250 Explosionen und Kollisionen im Weltraum entstanden sind. Allerdings taumeln oder fliegen die meisten dieser künstlichen Objekte unkontrolliert und ungesteuert. Das bedeutet, dass die meisten Kollisionen nicht durch Ausweichmanöver vermieden werden können.

Objekte von 5 bis 10 cm Größe im erdnahen Orbit (LEO, Low Earth Orbit) oder von 0,3 bis 1 Meter Größe in größerer Höhe werden vom US Surveillance Network verfolgt und in einem Katalog erfasst. Modelle zeigen, dass vermutlich bis zu 750 000 Objekte Größer als 1 Meter existieren.

Satellitenumlaufbahnen. Foto: ESA
Satellitenumlaufbahnen. Foto: ESA

Eine höhere Zusammenstoßwahrscheinlichkeit ergibt sich auch dadurch, dass die Trümmer nicht äquidistant über der Erde verteilt sind. Durch die sich ausgleichenden Effekte der Bruchstückerzeugung und dem langsamen Absinken des Mülls aufgrund von allmählichem Geschwindigkeitsverlust konzentrieren sich die Teile in Höhen von 800 bis 1000 km und bei knapp 1400 km. Sekundäre Konzentrationsspitzen auf Höhe der geostationären Umlaufbahnen und auf den Umlaufbahnen der Navigationssatelliten sind um den Faktor 2 bis 3 kleiner. Erdnahe Satelliten sind dem Luftwiderstand der sehr dünnen oberen Atmosphäre ausgesetzt: In Abhängigkeit von der Höhe bremst dieser Widerstand den Satelliten so weit ab, dass er nach einigen Wochen, Jahren oder sogar erst nach Jahrzehnten wieder in die Atmosphäre eindringt. In größeren Höhen, über 700 bis 800 km, ist der Luftwiderstand weniger wirksam, so dass hier die Objekte mindestens einige Jahrzehnte in der Umlaufbahn bleiben.

Heute dominieren die kommerziellen und wissenschaftlichen Anwendungen in der Raumfahrt.

Foto: ESA
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Wir sind mittlerweile an viele Weltraumdienste in unserem täglichen Leben gewöhnt: Kommunikation über alle Kontinente, Wettervorhersagen für die nächsten Tage, Fernsehen, Erdbeobachtung und Navigation. Aber nur 7 % aller verfolgten Objekte sind funktionierende Satelliten. Dies trifft besonders auf die erdnahen Umlaufbahnen zu, bis zu einer Höhe von etwa 2.000 km. Zwei Drittel aller bekannten künstlichen Objekten befinden sich in diesem kleinen Bereich.

Die Erdatmosphäre unterhalb dieser Höhe verhindert, dass Müll lange verweilen kann. Die Objekte werden von der Atmosphäre abgebremst, verlieren dadurch an Höhe und verglühen beim Wiedereintritt. Umlaufbahnen oberhalb von 1200 km Höhe sind für Erdbeobachtungs- oder Kommunikationsanwendungen zu weit entfernt, weshalb sie weniger benutzt werden. Aber auch hier sind sie nicht gleichmäßig verteilt. Für die meisten Missionen werden polare Umlaufbahnen zwischen 600 und 1200 km Bahnhöhe verwendet, daher liegt das größte Kollisionsrisiko in der Nähe der Pole.

Kollisionen treten momentan etwa alle 5 Jahre auf. Je mehr Objekte sich auf den Umlaufbahnen befinden aufgrund von steigender Raumfahrtaktivität, desto häufiger werden solche Kollisionen auftreten. In Zukunft werden mehr und mehr Kollisionen mit Fragmenten von vorhergehenden Kollisionen stattfinden. Dieser kaskadierende Effekt wurde schon vor 40 Jahren vorhergesehen: Der exponentielle Anstieg der Anzahl der Objekte kann nur sehr schwer verlangsamt werden. Wird die momentane Anzahl an Raketenstarts beibehalten, ohne Gegenmaßnahmen, steigt die Kollisionswahrscheinlichkeit auf das 25-fache an. Dadurch würde Raumfahrt auf den wichtigen erdnahem Umlaufbahn nahezu unmöglich werden.

Heute entstehen die meisten Trümmer immer noch durch versehentliche Explosionen von ungenutztem Treibstoff. Nach Beendigung einer Mission eines Satelliten sind nicht immer alle Energiespeicher komplett leer, obwohl sie nicht mehr gebraucht werden. Das kann durch so genannte Abschaltmaßnamen verringert werden, wie etwa dem Verbrauchen von ungenutztem Treibstoff, dem Entlüften von Drucktanks und dem Abschalten von Batterien. Diese Maßnamen von internationalen Experten wurden bereits in die Richtlinien vieler großer Raumfahrtnationen aufgenommen.

Kollisionen können außerdem dadurch vermieden werden, dass Satelliten am Ende ihrer Mission von den viel frequentierten Umlaufbahnen entfernt werden, solange sie noch kontrollierbar sind. Wenn sie auf eine Höhe von weniger als 600 km gebracht werden, dann werden sie nur noch für rund 25 Jahre im Weltall bleiben, bevor sie wieder in die Erdatmosphäre eintreten. Auch die europäische Raumfahrtorganisation ESA setzt solche Maßnamen ein. Der Erdbeobachtungssatellit ERS-2, der 16 Jahre lang Daten über unseren Planeten sammelte, wurde im August 2011 auf eine tiefere Umlaufbahn gebracht. Die Höhe wurde dabei mit einigen Manövern von 770 km auf 570 km reduziert, in eine Atmosphäre mit rund zehnmal so hoher Dichte, wodurch der Satellit wesentlich schneller abgebremst wird und dadurch schneller an Umlaufhöhe verliert.

ERS-2 wird daher durch natürliche Mechanismen innerhalb von 15 Jahren in die Erdatmosphäre eintreten und stellt kein Kollisionsrisiko mehr dar. Fast aller Resttreibstoff wurde durch zusätzliche Manöver verbraucht. Zuletzt wurden die Batterien abgeschaltet und der Radiokontakt beendet. ERS-2 ist nun vollständig ausgeschaltet und wird physikalisch intakt bleiben bis er wieder in die Erdatmosphäre eintritt.

Foto: ESA
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Maßnahmen wie diese müssen konsistent und weltweit angewandt werden, um die steigende Menge an Weltraummüll zu limitieren. Es wird einige Zeit dauern, bis dass dies für alle Missionen eingeführt sein wird. Nur können diese Maßnamen den Anstieg zwar limitieren, ihn aber nicht verhindern. Objekte, die bereits in einer Umlaufbahn sind, stellen nach wie vor ein Risiko dar und ihre Anzahl wird durch zukünftige Raketenstarts und weitere Kollisionen weiter steigen. Selbst wenn keine weiteren Raketenstarts mehr stattfinden würden und die umherirrenden Trümmer sich selbst überlassen würden, würde die Anzahl der Objekte weiter zu- statt abnehmen, wie Simulationen zeigten. Dies liegt an den kaskadierenden Kollisionen zwischen den vorhandenen Objekten und den Trümmern von vorherigen Kollisionen. Die kritische Dichte an Objekten auf den Erdnahem Umlaufbahnen ist bereits überschritten.

Fortsetzung…in Teil 2 dieses Beitrages

5 Gedanken zu “Der Müll über unserer Erde, Teil1

  1. Andreas 20. Mai 2013 / 11:35

    Da gäb‘ es eine Lösung:

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  2. DasBilligeAlien 21. Mai 2013 / 2:30

    Da ich nicht weiß ob mein Kommentar abgeschickt wurde. Habe gerade einige Probleme mit Sienceblogs. Hier nochmal die Kurzfassung:

    Zu diesem Thema gibt es einen großartigen Manga/Anime. In dem der Autor Makoto Yukimura die Arbeit von Weltraumschrottbeseitigern vorstellt.
    http://de.wikipedia.org/wiki/Planetes

    Absolut Lesenswert.

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  3. the grue 21. Mai 2013 / 10:06

    Kürzlich war ich in einem Vortrag zu den „Galileo“-Satelliten in Oberpfaffenhofen. Auf meine Frage hiess es, daß ausgediente Galileo-Satelliten, von denen es ja doch einige geben wird, NICHT in die Atmosphäre geschubst werden, sonden von der Erde weg in einen Friedhofsorbit.

    Ist das nicht etwas unsinnig für solch einen niedrigen Orbit? So trägt das ja eigentlich nicht zur Vermeidung von Weltraummüll bei :s

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    • Helga Kleisny 21. Mai 2013 / 10:14

      Friedhofsorbit…

      Irgend etwas muss man tun, und das „Etwas“ sollte mehr sein als (spannende) Mangas zum Thema erstellen. (Was auch gut ist, aber nicht genug für den Ernst der Lage)

      Braucht vermutlich noch eine größere Katastrophe, die viele Leute weltweit betrifft (durch Ausfall von wesentlichen) Satelliten, bis das hier unten so ernst genommen wird, wie es nötig wäre.

      Ja, über die Wahl der Aktion im Einzelfall kann man sicher diskutieren…
      Hoffe, das tun die Verantwortlichen auch ausführlich vor der Entscheidung…

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