28.08.2017

Weltraumschrott auf Kollisionskurs

Aktive Satelliten teilen sich den Orbit mit Weltraumschrott. Kollisionen sind dabei nicht ausgeschlossen. Um solche möglichst zu verhindern, muss die Bahn der Bruchstücke präzise erfasst werden. Weltraumforscher der ÖAW haben dafür verbesserte Methoden und Verfahren entwickelt.

„Sputnik“ überraschte die Welt, als er am 4. Oktober 1957 von der Sowjetunion als erster künstlicher „Begleiter“ – so die russische Übersetzung – im Orbit platziert wurde. Drei Monate lang umrundete er die Erde, bevor er verglühte. 60 Jahre später ist die Zahl der aktiven Satelliten auf mehr als 1.000 angewachsen. Sie kreisen um unseren Planeten in Entfernungen von 400 und 36.000 Kilometern. Und sie sind nicht die einzigen Erdbegleiter im All. Hunderte  ausgediente Satelliten, Raketen-Endstufen, sowie zahllose Bruchstücke alter Geräte finden sich im Orbit – insgesamt mehr als 40.000 Weltraumschrottteile, die für aktive Satelliten eine Gefahr darstellen.

„Ende Juni 2017 waren wir von einem Zusammenstoß unseres Langzeitstudienobjekts, Topex, mit einem aktiven Satelliten nur 400 Meter entfernt“, berichtet Georg Kirchner, Wissenschaftler am Observatorium Lustbühel, der Außenstelle des Instituts für Weltraumforschung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) in Graz. Mit seinem Team arbeitet er an der Präzisierung der Entfernungsmessung zu aktiven Satelliten wie auch zu Schrottteilen.

Ende Juni 2017 waren wir von einem Zusammenstoß unseres Langzeitstudienobjekts, Topex, mit einem aktiven Satelliten nur 400 Meter entfernt.

Topex war ein Forschungssatellit zur Messung von Meereshöhen, den die NASA und die französische Weltraumagentur CNES gemeinsam entwickelt hatten und 2006 ausrangierten. Seither dient er als Modell für Studien zu Weltraumschrott. „Im Fall von Topex müssen wir die Bahn – mitsamt dem Drall, den der ausrangierte Satellit mit der Zeit entwickelt hat –  möglichst rasch und genau bekanntgeben, damit bei intakten Satelliten bei den nächsten Runden ein Ausweichmanöver in Gang gesetzt werden kann“, erklärt Kirchner.

Es wird gefährlich eng im All

Mittlerweile sind ausrangierte Weltraumgeräte zu einem wirtschaftlich relevanten Problem geworden. Sie gefährden Satelliten für Navigation, Kommunikation, Monitoring und Fernerkundung, die die Basis unzähliger Services des modernen Lebens geworden sind. Und sowohl aktive, wie auch ausrangierte Satelliten werden in den nächsten Jahren deutlich mehr werden. Man denke etwa an ein globales Satelliteninternet, das allein mehrere Tausend Geräte im Orbit benötigt.

Ausrangierte Weltraumgeräte beginnen langsam abzusinken und sind dadurch so lange potenziell gefährlich, bis sie in der Erdatmosphäre verglühen.

Es wird also dicht am Sternenhimmel. Dazu kommt, dass ausrangierte Geräte nicht unverändert in ihrer ursprünglichen Umlaufbahn bleiben. Sie beginnen vielmehr langsam abzusinken und sind dadurch so lange potenziell gefährlich, bis sie letztendlich in der Erdatmosphäre verglühen. Das kann aber Jahrzehnte oder sogar Millionen von Jahren dauern.

Millimeterarbeit bei der Positionsbestimmungen

Um Kollisionen zu verhindern, kann man nur versuchen, mit aktiven Satelliten rechtzeitig Ausweichmanöver einzuleiten. Die wichtigste Voraussetzung dafür ist, die Umlaufbahn des Weltraumschrotts möglichst genau zu kennen. Die gängigste Methode dafür ist die des „Satellite Laser Ranging“, kurz: SLR. Sie funktioniert so, dass man die Laufzeit eines von der Erde gesendeten und vom Objekt am Himmel reflektierten Laserstrahls äußerst präzise vermisst. Dabei werden einzelne reflektierte Photonen detektiert, die mit entsprechender Software aus dem sehr viel stärkeren  „Hintergrundrauschen“  herausgefiltert werden. Mit dieser Methode erzielt die Grazer Station, die zu den weltweit führenden Laserstationen auf diesem Gebiet gehört, auf eine Entfernung von bis zu 36.000 Kilometern Genauigkeiten von etwa 2 bis 3 Millimetern.


Noch präziser, vernetzt und schneller messen

Am Institut für Weltraumforschung der ÖAW arbeitet man – vernetzt mit internationalen Partnern – an der stetigen Verbesserung der Positionsbestimmung. So haben Georg Kirchner und sein Team vor kurzem eine Methode entwickelt, die die Genauigkeit der SLR-Messung zu Schrottteilen deutlich verbessert. Gemeinsam mit zwei süddeutschen Stationen im bayerischen Wettzell und in Stuttgart schufen sie die technischen Voraussetzungen für multi-statische Vermessungen über ganz Mitteleuropa, die letztendlich präzisere Orbit-Bestimmungen ermöglichen.

Die Grazer Weltraumforscher haben zudem ein einfacheres und kostengünstigeres Beobachtungssystem zur Charakterisierung noch unbekannter Satelliten und Satellitenteile ausgearbeitet. Es kann noch unbekannte Schrottteile mit Hilfe von Kameras optisch erfassen, und gleich anschließend mit dem Laser vermessen. Der Prozess dauert nur noch wenige Minuten und ein einziger Überflug des Objektes über der Grazer Station erlaubt nun eine genaue Orbit-Bestimmung. Wertvolle gewonnene Zeit, wenn Weltraumschrott wieder einmal auf Kollisionskurs ist.