Zukunftsvisonen der Menschheit

Bücher rechtzeitig als Geschenk zu kaufen noch vor Weihnachten wird langsam schwierig. Deshalb gibt es die letzten beiden Weihnachtstipps für 2017 als Download und die sind auch noch kostenfrei. Beide (nur) auf Englisch.

(c) CSI ASU

Visionen, Ventures, Escape Velocities ist eine Sammlung von Zukunftsvisionen über den Weltraum. Weiterlesen

Oshkosh 2017 (Montag): Zukünftige Antriebe

Manche Flugzeuge sind einfach zu groß für normale Objektive. Diese B-52 ist noch im Einsatz, wenn sie nicht gerade in Oshkosh am Vorfeld parkt. Alle fünf Piloten, die mit der B-52 hier anflogen, sind nicht nur Captains beim Militär, sondern auch General Aviation Piloten auf unterschiedlichen Flugzeugen.

Nicht nur Airbus und andere Europäer sind endlich auf den Trichter gekommen, dass es überfällig ist, sich ernsthaft mit zukünftigen Antrieben für Flugzeuge und in der Raumfahrt Weiterlesen

Ulises – Nanosatellitenstart als Space Opera

Künstler wagen sich auf unbekanntes Terrain. Das ist im Prinzip nichts Neues.

Ein wenig outgespaced ist es allerdings schon, was Juan José Díaz Infante bereits seit 2010 anvisiert – hier auf der Kosmica in London. Aber: „Warum sollen immer nur die Wisssenschaftler ihren Spaß beim Satellitenstart haben“. (Nun ja, 🙂 da gäbe es einige Gründe…)

Schon der Start wird als Oper zelebriert. Ein Satellit als „Instrument“, das eine Oper „aufführt“…
Passenderweise zum Aufbruch in komplettes Neuland für die Künstler heißt der Nanosatellit Ulises-I.

Ulises soll nun in 2014 vom Königreich Tonga im Südpazifik abheben zu einer polaren Umlaufbahn. Drei Monate soll die künstlerische Reise/zeitgenössische Oper/Performance dauern. Die Signale sollen über Amateurfunk auf dem 433-MHz-Frequenzband zu empfangen sein.

Juan José Díaz Infante ist Fotograf, Kurator und Direktor der Mexican Space Collective. Diese Gruppe von elf Künstlern möchte der mexikanischen Bevölkerung, die geprägt ist von Drogenkriegen und Chaos im Alltag, durch ihre Aktionen Inspriation und Hoffnung geben. Der Satellitenlaunch soll eine Plattform für künstlerische, ästhetische Experimente bieten, die den Horizont unserer täglichen Alltagswelt erweitern.

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Anmerkung am Rande:

Die Frage kommt bestimmt, warum sich ein deutsches Luft- und Raumfahrt-Blog mit mexikanischen Künstlern beschäftigt und nicht mit dem Wiederwecken der Rosetta Sonde, einem Ereignis, das die letzten Tage auf allen Informationskanälen rauf und runter gekaut wurde.

Genau deswegen.

Für die beteiligten Wissenschaftler war es das Ereignis, nach jahrelangem Warten. Das kann ich nachvollziehen.

Als Wissenschaftsjournalist, der vor knapp 10 Jahren den Start der Sonde live miterleben durfte und das Thema bereits damals des Langen und Breiten verarbeitet hat, war diese Woche technisch nichts Neues zu vermelden. Alle Informationen zur Mission, die in der Presse ausgewalzt wurden, sind seit einem Jahrzehnt veröffentlicht.

Wenn es also hier etwas zum Thema Rosetta und dem Kometen 67P/Tschurjumov-Gerasimenko gibt, dann muss sich das von den derzeitigen Presseberichten unterscheiden. Mal sehen. 😉

Der Müll über unserer Erde, Teil1

Foto: ESA
Foto: ESA

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
Foto: ESA

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
Foto: ESA

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
Foto: ESA

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

Der Müll über unserer Erde, Teil 2

Mit einem zweiseitgen Greifhaken (Clamp) ran an das torkelnde Objekt und es fixieren. Foto: ESA
Mit einem zweiseitgen Greifhaken (Clamp) ran an das torkelnde Objekt und es fixieren. Foto: ESA

Ein aktiver Eingriff ist die einzige Möglichkeit, die momentane kritische Dichte des Weltraumschrotts auf ein tragbares Niveau zu reduzieren. So ganz einfach ist das aber nicht, denn die aktive Beseitigung von großen und unkontrollierbaren Objekten erfordert beträchtliche technischen Herausforderungen und hohe Entwicklungskosten.

Wie effizient die Maßnahmen sind, hängt von der sorgfältigen Auswahl der Zielobjekte ab, folgende Kriterien haben höchste Priorität bei der Auswahl:

  • hohes Kollisionsrisiko
  • große Masse und
  • lange Verweildauer in der Umlaufbahn

Die Kollisionsgefahr ist, wie erwähnt in Teil 1 dieses Beitrages, bei den polaren Umlaufbahnen zwischen 800 und 1200 km am höchsten. Das ist der Bereich, der die größte Zuwachsrate aufweist, selbst wenn alle präventiven Maßnahmen rigoros eingeführt werden. Aktive Eingriffe in diesen Regionen wären besonders wirkungsvoll. Anstrengungen sollten sich dabei auf kritische Regionen in größeren Höhen konzentrieren: Je höher die Umlaufbahn, desto länger verbleiben die Trümmer von potentiellen Kollisionen auf ihrer Bahn. Welche Auswirkungen die Zusammenstöße haben, hängt von der Masse der kollidierenden Objekte ab. Deshalb sollten große Objekte idealerweise zuerst aus diesen Regionen entfernt werden.

Um den Weltraumflug ohne Restriktionen weiter betreiben zu können, müssen in Zukunft 5 bis 10 solcher Objekte pro Jahr aktiv entfernt werden. Das ist die einzige Möglichkeit, um die Trümmeranzahl im Weltraum zu stabilisieren. Allerdings ist es noch ein langer Weg bevor das erste „Service Vehicle“ aktiv Objekte aus der Umlaufbahn entfernen kann.

Relative Navigation. Foto ESA
Relative Navigation. Foto ESA

Sich einem unkontrollierten Zielobjekt zu nähern ist ein Flug ins Ungewisse. Einerseits möchte man natürlich eine Kollision mit dem Objekt vermeiden und dazu muss man zunächst dessen Lagebewegung bestimmen: Wo genau torkelt wie das Teil im Raum. Da das Zielobjekt keine Telemetriedaten mehr sendet, muss die Position aktiv vom Boden aus bestimmt werden. Dies erfordert Radarsysteme und die initiale Bestimmung der Lagebewegung des Objekts zum Beispiel durch die Nutzung des TIRA (Tracking and Imaging RAdar) in Deutschland.

Roboterarm. Foto: ESA
Roboterarm. Foto: ESA

In der letzten Phase der Annäherung gelingt die Operation dann mit relativer Navigation, wofür man lasergestütztes LIDAR oder RADAR-Systeme nutzt. Die exakte Lage im Raum bestimmt man mit Hilfe einer Kamera. Was die optimale Methode ist, um das Objekt einzufangen, ist abhängig von Faktoren wie der Rotationsrate, der Struktur der Oberfläche und der Größe des Objekts.

Ein möglicher Weg dazu ist der Einsatz eines Roboterarms, der ein geeignetes Stück auf der Oberfläche des Zielobjekts greift, die Bewegung stoppt und das Objekt fixiert.

Foto: ESA
Foto: ESA
Foto: ESA
Foto: ESA
Foto: ESA
Foto: ESA

 

 

Auch das Auswerfen eines Netzes ist vorstellbar. Dies würde einen direkten Kontakt zum wegzuschleppenden Objekt überflüssig machen. Mit leistungsfähigen Antrieben kann das „Service Vehicle“ dann zusammen mit dem Zielobjekt kontrolliert in die Erdatmosphäre eintreten. Der kontrollierte Wiedereintritt würde dabei über unbewohnten Gebieten stattfinden und stellt die ideale Lösung dar. Wenn der kontrollierte Wiedereintritt nicht nötig ist, muss man mit anderen Optionen vorlieb nehmen.

 

 

Das Zielobjekt könnte zunächst aus der kritischen Region entfernt und auf einer niedrigeren Höhe abgesetzt werden. Es würde dann später aufgrund des Luftwiderstandes in die Erdatmosphäre eintreten.

 

 

 

Die initiale Höhe könnte man beispielsweise mittels Feststoffraketen verringern, die an dem Objekt fixiert werden. Diese würden zuerst die Fluglage stabilisieren und erst dann das Objekt aus der Umlaufbahn entfernen.

 

 

Eine passive Methode um die Bahnhöhe zu verringern bietet sich ebenfalls an:

Segel zur Verringerung der Umlaufbahnhöhe.  Foto: ESA
Segel zur Verringerung der Umlaufbahnhöhe.
Foto: ESA

Die Größe der Oberfläche eines Objekts könnte mit Hilfe eines angehängten Segels erheblich vergrößert werden, das den Bahnabstieg durch Erhöhung des Luftwiderstandes beschleunigt.

Eine weitere Idee ist die Bestrahlung des Objekts mit einem Ionentriebwerk. Schubschwache Ionen-Triebwerke sind ideal für lange kontinuierliche Bahnänderungen.

Bestrahlung mit Ionen. Foto: ESA
Bestrahlung mit Ionen. Foto: ESA

Dazu werden zunächst Ionen durch ein elektrisches Feld stark beschleunigt. Die konstante Bombardierung der Oberfläche des Zielobjektes mit den Ionen überträgt dann ein Moment auf das Objekt. Vorteil dieser Methode ist, dass der direkte Kontakt mit dem Trümmerteil enfällt.

Bevor die aktive Entfernung von Objekten starten kann, sind aber noch einige legale Probleme zu lösen. Gemäß internationaler Weltraumgesetze verbleibt die Verantwortung für alle Trümmerteile oder aufgegebener Satelliten beim Eigentümer, auch wenn sie nicht mehr funktionieren. Alle Risiken, die im Zusammenhang mit der Mission stehen, liegen daher beim Eigentümer des „Service Vehicle“ und beim Eigentümer des Zielobjekts.

Foto: ESA
Foto: ESA

Da die Auswahl der Zielobjekte alle größeren Raumfahrtnationen betrifft, sind aktive Beseitigungsmaßnahmen auf internationalen Konsens angewiesen. Die technischen und legalen Herausforderungen müssen jetzt bewältigt werden, da die aktive Beseitigung von Raumfahrtobjekten erst nach einiger Zeit kommerziell zur Verfügung stehen wird.

Gleichwohl müssen die initialen Schritte bald erfolgen, um die kritische Situation über unserer Erde effektiv zu stabilisieren.

Aktive und schnelle Beseitigung bleibt die einzige Möglichkeit sicher zu stellen, dass Raumfahrt unter momentanem Bedingungen in Zukunft möglich bleibt.