Ausserirdische Flugkörper

Wir sind umrundet: Die Erde und ihre Mülltrabanten (c) ESA

Der Planet Erde hält vieles aus. Sogar Menschen. Wenn wir aber so weiter machen, ist es nur eine Frage der Zeit, bis unser Heimatplanet für die Bewohner nicht mehr lebenswert sein wird. Die Erde selbst wird alle Unbill überstehen.

Für vieles in unserem täglichen Leben sind Satelliten mittlerweile unerlässlich, von der Meteorologie und Kommunikation bis hin zum weltweiten Transport von Gütern und Passagieren. Alles was diese Infrastruktur bedroht, hat Einfluss auf unser Leben auf der Erdoberfläche – so droht dem Alltag der Menschheit nun auch Gefahr von ausserhalb der Erde.

Asteroideneinschläge gibt es gar nicht so selten auf unserer Erde. Da aber zwei Drittel der Erdoberfläche aus Wasser bestehen und trotz aller Menschen auf unserem Planeten noch immer etliche Gebiete unbewohnt sind, bemerkt die Allgemeinheit wenig davon. Near-Earth Objects (NEOs) sind Asteroiden oder Kometen mit Größen zwischen Metern und einigen Kilometern, die die Sonne umkreisen und deren Umlaufbahnen sich der der Erde annähern. Von den mehr als 600 000 bekannten Asteroiden in unserem Sonnensystem sind mehr als 16 000 NEOs.

Die Weltraum-Sicherheitskonferenz

Die Entdeckung und die potentielle Abwehr ausserirdischer Gefahren haben in ihrer Technologie und in den Prozeduren vieles gemeinsam. Das erkannten auch Wissenschaftler von der ESA und so wird kurzerhand die angestammte internationale Space Debris Conference, die sich primär mit Weltraumschrott befasste, künftig alle zwei Jahre erweitert: zur Weltraum-Sicherheitskonferenz, die erste fand nun im Januar 2019 statt.

Ausserirdische Gefahren

Schon eine derart kleine Kugel schlägt im Vergleichstest auf der Erde ein großes Loch in den massiven Metallblock.

Gefahr droht einerseits von menscherzeugten Objekten: Satellitentrümmern, ausgebrannten Raktetenstufen und allen daraus entstandenen Trümmerteilen, aber auch von natürlichen Quellen wie der Sonne, die bevorzugt Protonen ins Weltall schießt und von umherfliegenden Gesteinsbrocken in unterschiedlichen Größen, den Asteroiden.

Asteroidenbeschau: Wenn schon – zumindest aus der Sicht von Nicht-Astronomen – nicht schön, dann wenigstens einzigartig in Form und Größe.

Weltraumwetter entsteht durch Sonneneruptionen. Bei der Beobachtung, dem Charakterisieren der Eigenschaften der Teilchen soll die Auswirkung auf Erdbewohner, Astronauten oder Raumfahrzeuge möglichst früh vorhergesagt werden. Eine rechtzeitige Warnung kann vielleicht die Schäden für unseren Alltag minimieren.

Mission Control Center Im ESOC in Darmstadt

Im Rahmen des Space-Situational-Awareness-Programms forscht und entwickelt die ESA Technologien für Systeme, die Weltraummüll aufspüren und verfolgen, und zudem feststellen können, ob ein Ausweichmanöver erforderlich ist.

Das Weltraumüberwachungs- und Tracking-System (SST) erkennt Weltraummüll, katalogisiert Schuttobjekte und ermittelt und prognostiziert deren Umlaufbahnen.

Selbst mikrokleine Teilchen haben großes Zerstörungspotential für Satelliten und andere Raumfahrzeuge

Wenn die Sonne spuckt

Die Sonne und der Sonnenwind verursachen dynamische Veränderungen in der Magnetosphäre, der Ionosphäre und der Thermosphäre der Erde. Und dann hakt es bei der Funktion und Zuverlässigkeit vieler unserer Infrastruktur auf der Erde, von wirtschaftlich wichtigen Systeme wie Satelliten, Kommunikations- oder Stromnetzen.

Auch Schwankungen bei nicht-solaren Quellen energiereicher Teilchen, wie etwa der galaktischen kosmischen Strahlung, zählt man zum Weltraumwetter, da sie die Bedingungen im erdnahen Weltraum verändern.

Je besser die Überwachung dieser Ereignisse ist, umso genauer und früher lassen sich die Auftreffzeiten auf der Erde und mögliche Auswirkungen auf die Infrastruktur vorhersagen.

Die Lagrange-Missionen

Es geht beim Weltraumwetter also darum, möglichst früh und möglichst genau alle Strahlen-Teilchen zu sehen, sie zu kategorisieren (was ist es), ihren Weg und Auftreffpunkt zeitlich und örtlich möglichst exakt und früh zu bestimmen.

Das funktioniert am besten, wenn man eine Raumsonde zwischen Erde und Sonne im Weltall parkt, und das nicht nur in der direkten Verbindungslinie, sondern auch seitwärts, zur besseren Übersicht. Genau das wollen die beiden Lagrange-Missionen der ESA: Die Konzeptstudie für eine Sonnenwettermission ist ein britisches Konzept, bei dem zwei Raumsonden an L1 und L5 beobachtende Frühwarn-Technik platzieren.

Messungen an L1 liefern Informationen über das Weltraumwetter, das auf die Erde zukommt. Im Gegensatz dazu lassen sich am L5-Punkt koronale Massenauswürfe (CME) von der Seite aus überwachen, mit besserer Abschätzung von Geschwindigkeit und Richtung.

Die Lagrange-Punkte sind fünf Punkte im System zweier Himmelskörper, an denen ein leichter Körper (etwa ein Asteroid oder eine Raumsonde) antriebslos den massereicheren Himmelskörper umkreisen kann.

Er hat dabei dieselbe Umlaufzeit wie der masseärmere Himmelskörper, seine Position ändert sich also relativ zu den beiden nicht.

Die Spezifikationen der Raumsonden werden unter der Leitung von Airbus UK und OHB SE in Deutschland verfasst. Das britische Rutherford Appleton Laboratory und das Mullard Space Science Laboratory bestimmen die Anforderungen an die wissenschaftliche Nutzlast.

Jetzt fehlt nur noch eine Kleinigkeit – das nötige Kleingeld zur Finanzierung. Dann kann die Mission in 2020 starten.

In einer kürzlich durchgeführten Studie der ESA wurden die potenziellen Folgeschäden eines einzelnen extremen Weltraum-Ereignisses für Europa auf rund 15 Milliarden Euro geschätzt, ein Betrag, der wegen der zunehmenden Abhängigkeit von Satellitensystemen in der Zukunft noch wesentlich höher liegen dürfte.

Zum Weiterlesen und Vertiefen: Die ESA Website zum Space Weather

Woher kommt der Weltraummüll?

Ein Video der ESA über Weltraummüll – produziert für die 7. Space Debris Conference vom 18. bis 21. April 2017:

Das Video nimmt den Zuseher mit auf eine Reise vom äußeren Sonnensystem zu unserem Heimatplaneten. Die Objekte, denen man unterwegs begegnet, sind von Menschen gemacht. Ursprünglich für die Erkundung des Universums konzipiert, sind sie jetzt eine Herausforderung für die moderne Raumfahrt. Eine geschätzte Anzahl von 700.000 Objekten, die größer als 1 cm sind, und 170 Millionen Objekte, die größer als 1 mm sind, werden voraussichtlich in Erdorbits liegen. Das Video zeigt die verschiedenen Regionen, die für die Raumfahrt genutzt werden, genauer und erläutert, wie Abmilderungs- und Entfernungsmaßnahmen die zukünftige Nutzung dieser Umlaufbahnen bewahren können.

Das Video gibt es hier in 3d zu sehen. (Link zu YouTube)

Wie alles auf der Erde, haben auch Objekte in der Umlaufbahn ihre funktionelle Lebenszeit. Die Lebensdauer eines Satelliten endet, wenn der Treibstoff zur Neige geht oder er von einem anderen Objekt getroffen wird. Das ist ein Kaskadeneffekt, denn mit jedem Einschlag entstehen weitere Trümmer und selbst die kleinsten Trümmerchen wirken mit einer Geschwindigkeit von sieben Kilometern pro Sekunde als Projektile.

Satelliten in der Umlaufbahn mögen keine Einschläge, seien sie noch so klein. Nicht nur, dass der Satellit selbst und damit seine Funktion beschädigt werden kann, auch der Antrieb – etwa Sonnenkollektoren als Flügel, die Sonnenlicht in elektrische Energie umwandeln –, liefert so im Verlauf einer Mission ständig weniger Energie.

Eine Simulation auf der Erde für einen Einschlag von einem Projektil, das mit 7 Kilometern pro Sekunde senkrecht auf die Schutzhülle trifft.

Neben nicht mehr gebrauchten Satelliten gibt es viele Ereignissen und Mechanismen, die zur Entstehung von Weltraummüll führen: Missionsbedingte Objekte wie Sprengbolzen und Abdeckungen, ganze Raketenoberstufen, Explosionen etwa durch absichtliche Sprengungen oder die Entzündung von Resttreibstoffen, absichtliche politische Killersatelliten oder Kollisionen. Eine ausführliche Beschreibung dazu steht auf dieser Wikiseite.

Mehr als 750 000 Trümmer, größer als ein Zentimeter, umkreisen die Erde – jedes ist eine Gefahr für Satelliten und Raumfahrzeuge. Heute ist das Risiko, eine Raumsonde durch den Aufprall von Weltraummüll zu verlieren das dritthöchste, nach den Gefahren beim Raketenstart und denen beim Eintritt in die Umlaufbahn.

Zwei bevorzuge Umlaufbahnen mit Trümmerteilchen, die größer als 1 Zentimeter sind.

Um Kollisionen mit Weltraummüll zu vermeiden, müssen die Umlaufbahnen von Objekten im Weltraum bekannt sein. Dies erfordert ein System von Sensoren, das Radar, Teleskope und Laser-Entfernungsstationen umfasst, und ein Datenzentrum, um die Beobachtungsdaten zu verarbeiten.

Wer räumt auf?

Die Sicherheit des Weltraums ist für alle Raumfahrtnationen von wachsender Bedeutung. Deshalb, so meint Luisa Innocenti, Leiterin des ESA Büros Sauberer Weltraum, werden auch alle Nationen, die heute eine Rakete mit Nutzlast ins Weltall schicken, sie so bauen und die Operation so planen, dass Weltraumschrott gleich von Anfang an vermieden wird. Das bedeutet beispielsweise, dass sich Satelliten am funktionellen Lebensende selbst „zerstören“, indem sie etwa bei einem gezielten Wiedereintritt verglühen.

Nicht ganz so positiv sieht die Eigenverpflichtung aller Staaten allerdings ESA Generaldirektor Jan Wörner. Er forderte auf dem IAC Kongress im Herbst eine vertragliche Zusage, ohne die weltweit keine Raketen mehr starten dürften. Deren Umsetzung ist allerdings in der Realität in genauso weiter Ferne wie die freiwillige Einhaltung aller Staaten.

Womit und wie lässt sich Weltraumschrott beseitigen?

Die künftige Müllvermeidung wäre, wie auf der Erde auch, schon einmal ein erster Schritt. Allerdings führt der Kaskadeneffekt der bereits vorhandenen Trümmer dazu, dass unbeirrt davon das Problem der Beseitigung stets größer wird. Exponentiell und nicht linear.

Es gibt nur eine Richtung: die hin zu mehr Trümmern…

Die zurzeit viel versprechendste Technik ist bei großen Trümmern wie einer ganzen (chinesischen oder russischen) Raumstation, sie gezielt zum Absturz und damit zum Verglühen zu bringen. Bei kleineren Teilen ist das Einfangen mit Netzen und dann ebenfalls irgendwie ohne weitere Trümmerexplosion zu entsorgen zurzeit die Technik der Wahl.

Die natürliche Gefahr

Unsere die Erde umkreisende Technik ist für unsere Infrastruktur wie die Erde selbst zudem von Einschlägen natürlichen Ursprungs bedroht. Das wären dann Asteroiden. Die bekannten stellen zwar in nächster Zeit, so etwa den nächsten paar hundert Jahren bei berechneten Wahrscheinlichkeiten* zumindest keine Gefahr für die Erde dar, aber man sollte doch gewappnet sein, zumindest für künftige Raumfahrtmissionen.

*Die Auftreff-Wahrscheinlichkeit setzt sich aus einer Wahrscheinlichkeit der Bahnberechnung (Ort), wie nah er der Erde kommen könnte und seiner Geschwindigkeit zusammen.

Die Landung auf einem Asteroiden wurde bereits erfolgreich getestet. Nun geht es darum, wie man ihn erfolgreich aus seiner Bahn abtreiben kann um eine ungewünschte Kollision zu vermeiden. Dazu beschießt man ihn. Nur muss man dazu wissen, woraus er besteht, wie seine Oberfläche genau aussieht und ob er etwa taumelt. Am besten natürlich zur Überprüfung der theoretischen Simulationen mit dem Vergleich in der Praxis. Genau das will das ESA Projekt HERA.

Didymos und Didymoon

Ziel der Hera-Mission ist der Asteroid Didymos, ein felsiges Objekt in der Nähe der Erde (NEO). Er wird umkreist von Didymoon, den man aus seiner Umlaufbahn ablenken möchte.

Didymos hat einen Durchmesser von etwa 780 Metern und eine Rotationsdauer von 2,26 Stunden. Da Didymoon mit einen Durchmesser von etwa 160 Metern in geringer Umlaufbahn – in 1,2 Kilometern Entfernung – um Didymos kreist, ist die Änderung seiner Umlaufbahn vom Boden aus leichter zu beobachten als bei einem vergleichbaren einzelnen Asteroiden.

Ein vollständiges Bild der Kollision und der daraus resultierenden Impulsübertragung wird erst möglich, wenn Hera die Masse von Didymoon mit hoher Sicherheit kartiert, was die Genauigkeit der Modelle der Wissenschaftler des kleinen Zweikörpersystems überprüft.

Dazu startet die NASA zuvor ihre Mission DART. Im Oktober 2022 soll Didymoon von der NASA-DART-Sonde getroffen werden. Die Umlaufgeschwindigkeit von einigen (zweistelligen) Kilometern pro Sekunde wird dadurch voraussichtlich um etwa sechs Kilometer pro Sekunde verschoben, wodurch sich die Rotationsperiode um den Primärkörper um etwa 200 Sekunden ändert. Das ist weniger als ein Prozent, aber genug, um mit erdbasierten Teleskopen grob messbar zu sein.

Bei der Mission DART beschießt man einen Asteroidplaneten, Didymoon, der seinen Hauptasteroiden Didymos danach auf einer etwas veränderten Bahn umkreisen wird. Das soll Wissen für künftige Ablenkmanöver bei Asteroiden bringen, die ohne Eingriff die Erde bedrohen könnten. Eine realer Test für eine künftige Technik. Die Mission HERA sammelt drei Jahre später Vergleichsdaten zu vorher auf der Erde erstellten Simulationen und Beobachtungen.

Man erwartet, dass die Kollision von DART einen relativ großen Krater (Durchmesser 20 m) auf der Oberfläche von Didymoon hinterlässt. Durch die Kartierung der Form dieses Kraters werden wichtige Informationen zur Verfügung gestellt, um die numerischen Wirkungsmodelle zu validieren, die zukünftig für die Planung von Asteroidenablenkungsmissionen erforderlich sind. Außerdem sollen die Oberflächeneigenschaften und die innere Struktur des Asteroiden dadurch sichtbar werden.

Mission einer Göttin

Heras Ziel ist eine Schätzung der Masse von Didymoon mit einer Unsicherheit von weniger als 10 Prozent – was nur durch einen Flug dorthin möglich ist.

Dazu sollen feste Landmarken auf der Oberfläche von Didymos, etwa Felsbrocken, identifiziert werden und kleine Schwankungen der Rotation im Laufe der Zeit um den Schwerpunkt herum ermittelt werden, wobei auch die Bewegung der Raumsonde aufgrund von Gravitationsstörungen oder geringfügigen Veränderungen des Sonnenstrahlungsdrucks berücksichtig wird.

Als davon unabhängige Überprüfung der Masse von Didymoon nimmt man später in der Mission die herkömmliche Methode der Massenbestimmung hinzu: Durch einen sehr nahen, weniger als 1,2 Kilometer entfernten Vorbeiflug an Didymoon möchten die Wissenschaftler Einflüsse der Masse des Asteroiden auf Funksignale der Mission Hera feststellen.

Der 160-Meter-Durchmesser von Didymoon ist ebenfalls von Bedeutung: Die meisten erdnahen Asteroiden der 1 km-Klasse in unserem Sonnensystem sind bekannt und kartiert, aber die Mehrheit der Asteroiden dieser kleineren Größe (davon gibt es bis zu 30 000 Stück) sind trotz ihres „ganzen Städte-Vernichtungspotenzials“ noch zu kategorisieren – für den Fall, dass sie uns oder Objekte in der Erdumlaufbahn treffen könnten.

Ungeachtet aller Bemühungen der Astronomen haben wir noch kein Bild eines so kleinen Asteroiden. Dieses Experiment zur Orbitalverschiebung wird also an einer Klasse von Asteroiden durchgeführt, die eine echte Bedrohung darstellt und wertvolle Daten liefert, wenn eine solche Orbitalablenkung jemals für die Realität erforderlich sein wird.

Das nötige Kleingeld

Trotz der technischen Durchführbarkeit der Mission war es schwierig, die Finanzierung der beiden Raumsonden allein aus europäischen Mitteln sicherzustellen. Glücklicherweise sahen auch die USA die Notwendigkeit der Untersuchungen, um eine potentielle Bedrohung für die Erde künftig abzuwenden. Deren Mission AIDA (Asteroid Impact and Deflection Assessment) besteht nun aus zwei Teilen: NASA’s Double Asteroid Redirection Test (DART) und ESA’s Asteroid Impact Mission (HERA).

AIDA = DART + HERA

AIDA ist eine Zusammenarbeit von ESA, dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), dem Observatoire de la Côte d’Azur (OCA), der NASA und dem John Hopkins University-Labor für angewandte Physik (JHU/APL).

Im Oktober 2022 würde der von der NASA geführte Teil von AIDA eintreffen: Der Doppel-Asteroid-Umleitungstest (DART) nähert sich dem binären Asteroiden-System an und stürzt dann mit etwa sechs Kilometer pro Sekunde direkt in den Asteroidenmond Didymoon.

Erst etwa drei Jahre später wird Hera Didymoon ganz genau charakterisieren. Insbesondere werden detaillierte Messungen der physikalischen Eigenschaften des Körpers sowie seines Orbits durchgeführt, um die Folgen der kinetischen Auswirkungen von DART zu charakterisieren.

Hera hat seine detaillierte Definitionsphase B1 begonnen mit der Beteiligung der Industrie aus Deutschland, Belgien, Rumänien, Luxemburg, Schweden, Portugal, Spanien, der Tschechischen Republik, Österreich, Finnland, Polen und der Schweiz.

Die Gesamtergebnisse der beiden Missionen sollten eine Grundlage für die Planung künftiger planetarischer Verteidigungsstrategien bilden und einen Einblick in die Art der erforderlichen Kraft geben, um den Orbit eines ankommenden Asteroiden zu verschieben, und um besser zu verstehen, wie die Technik angewendet werden könnte, wenn eine echte Bedrohung auftritt.

Unbekannte Besucher

Ein durchaus irdischer Krabbel-Besucher im Mission Control Center, der sich dort anscheinend nicht so wohl gefühlt hat.

Und wie ist es mit Asteroiden von ausserhalb unseres Sonnensystems, die von irgendwo her quer schießen und so unkategorisiert und unvermutet auftauchen?

„Das ist eine interessante Frage“, meint Ian Carnelli, Leiter des Programmes für allgemeine Studien bei Hera, „das sind dann unbekannte Herausforderungen und damit müsste man die Abwehr neu überlegen.“

(c) Alle Fotos: Flugundzeit. (c) Originale und Inhalte der Fotos und das Video: ESA