19.02.2006 / Autor: Florian Stremmel Raumfahrt > Raumsonden

Weltraumschrott - Ein gefährliches Erbe

In den Erdumlaufbahnen lauert ein oft (fast) unsichtbares Risiko für Satelliten und Raumfahrzeuge: So genannter Weltraumschrott rast mit bis zu 50.000 Kilometern pro Stunde um die Erde. Die einzelnen Teile sind dabei meist kleiner als 10 Zentimeter.

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NASA

Der erdnahe Orbit ist am stärksten von Weltraum-Trümmern betroffen.
(Bild: NASA)
Alles begann im Jahre 1957. Mit Sputnik 1 schoss die ehemalige Sowjetunion den ersten künstlichen Erdtrabanten ins All und versetzte die westliche Welt damit in helle Aufregung. Nach dem Aussetzen der Nutzlast wurde die Oberstufe von Sputniks Trägerrakete in einem niedrigen Erdorbit "entsorgt". Sie war das erste Stück Müll im Weltraum, und mit der darauf folgenden Eroberung desselbigen sollten es immer mehr werden. Das Problem ist also so alt wie die Raumfahrt selbst, erhielt aber lange Zeit keine Beachtung, schließlich erscheinen die Weiten des Alls schier endlos. Was sich jedoch bis heute um die Erde angesammelt hat, zeichnet ein anderes Bild: 11.000 Schrott- und Trümmer-Teile, jedes größer als zehn Zentimeter, waren im April 2005 katalogisiert. Die Schätzungen für Objekte zwischen ein und zehn Zentimetern variieren zwischen 50.000 und über 100.000, und von Objekten, die kleiner als ein Zentimeter sind, gibt es wohl mehr als eine Million. Genaue Zahlen sind auf Grund der geringen Größen nicht ermittelbar.

Nun könnte man meinen, Schrott-Teilchen dieser Größenordnung seien keine ernsthafte Bedrohung. In der Tat werden sie dazu erst durch die enorme Geschwindigkeit, mit der sie ihre Bahnen ziehen. Bei Geschwindigkeiten von bis zu 50.000 Stundenkilometern, was ungefähr dem 17-fachen Tempo einer abgefeuerten Maschinengewehr-Kugel entspricht, kann selbst das kleinste Teil Weltraumschrott ernsthafte Schäden an Raumfahrzeugen (also größtenteils Satelliten) verursachen und mit ihrer Größe steigt ihr Potenzial zur Verursachung einer Katastrophe. So verfügt eine ein Zentimeter große Alukugel, die auf zehn Kilometer pro Sekunde (was 36.000 Kilometer pro Stunde entspricht) beschleunigt wurde, über eine kinetische Energie, die derjenigen einer Bowlingkugel bei 520 Kilometer pro Stunde gleichkommt.

Statistik der Trümmerteile

Die einzelnen Trümmer haben dabei verschiedene Quellen. 2003 setzte sich die Gesamtheit der damals etwa 10.000 identifizierten Objekte in den Erdumlaufbahnen zu 22% aus nicht mehr benutzten Raumfahrtzeugen, zu 17% aus alten Raketenkörpern, zu 13% aus missionsverwandten Teilen und zu 41% aus sonstigen Fragmenten (dazu gehören auch natürliche Teilchen wie Meteoroiden) zusammen. Mit nur 7% schlugen zurzeit operierende Raumfahrtsysteme zu Buche. Zum Weltraumschrott zählt man aufgebrauchte Satelliten, abgetrennte Raketenteile, Werkzeuge, die bei Weltraumspaziergängen verloren wurden, abgetrennte Oberstufen sowie Bruchstücke von explodierten oder anderweitig zerstörten künstlichen Raumfahrtobjekten. Aber auch Aluminium-Schlacke, ein Rückstand von Feststoff-Raketen, oder Tropfen von Sodium-Potassium-Kühlflüssigkeit, die von russischen Nuklear-Aufklärungs-Satelliten entwichen sind, als diese ihren Reaktorkern entfernten, stellen eine Bedrohung für Satelliten und Raumfahrzeuge dar. Fenster eines Space Shuttles wurden beschädigt, als 0,3 Millimeter große Anstrich-Partikel mit einer Geschwindigkeit von 14.400 Kilometern pro Stunde auf sie trafen. Die wirklich gefährlichen Teile sind aber zwischen einem und zehn Zentimetern groß und damit zwar größer, aber immer noch schwierig auszumachen. Partikel bis zur Größe von einem Zentimeter können moderne Schilde heutzutage abfangen.

In Anbetracht der großen Zahl an Weltraum-Trümmern sind viele Agenturen damit beschäftigt, diese Teile zu identifizieren und zu katalogisieren. Länder wie Deutschland, Frankreich, Großbritannien, USA und die Europäische Raumfahrtagentur selbst benutzen dafür Radare oder optische Teleskope. Radare gelten als besonders effektiv zur Teilchen-Ortung unterhalb von 5000 Kilometern Höhe, während die Stärken des optischen Sichtens in höheren Bereichen und für geostationäre Umlaufbahnen, welche von Telekommunikations- und Rundfunk-Satelliten benutzt werden, liegen.

Die gewonnenen Erkenntnisse werden in Datenbanken gespeichert und ausgewertet. Die ESA benutzt dafür das vom europäischen Kontrollzentrum ESOC bereitgestellte System DISCOS (Database and Information System Characterising Objects in Space). Hierbei handelt es sich um einen Katalog von Objekten und Schrottteilen in der Erdumlaufbahn. Die Datenbank kann benutzt werden um detaillierte Informationen zu allen bekannten und verfolgten Objekten zu gewinnen und damit potenzielle Kollisionen vorherzusagen, vorrangig für die Erdbeobachtungs-Satelliten ENVISAT und ERS-2. Aufgebaut wurde die Datenbank mit Daten des US Space Command (USSPACECOM), welches zuverlässige Überwachungsradare betreibt, sowie mit zusätzlichem Material von diversen europäischen Quellen. Dazu gehören unter anderem das deutsche Radar der Forschungsgesellschaft für Angewandte Naturwissenschaften e.V. (FGAN) in Wachtberg bei Bonn und das ESA-eigene Teleskop zur Weltraumschrott-Ortung auf Teneriffa.

Weitere Forschung betreibt auch das italienische Institut für Informationswissenschaft und -technologien sowie die japanische Universität Kyushu, dort in der Abteilung für Mechanik und Luftfahrttechnik.

Im ESOC in Darmstadt warnt täglich ein automatisches Email-Programm vor eventuellen Zusammenstößen. Eine menschliche Reaktion, sprich das Einleiten eines Ausweichmanövers des betroffenen Satelliten, ist jedoch nur dann erforderlich, wenn die Kollisions-Wahrscheinlichkeit größer als 1 zu 10.000 wird. Zusätzlich wird im Technologie- und Testzentrum der ESA (ESTEC) im niederländischen Noordwijk Forschung betrieben, die neben der Auswertung der von den Radaren und Teleskopen gelieferten Daten eine Modellierung der Schrott-Vorkommen umfasst und eine Verminderung der Trümmer-verwandten Risiken zu erreichen sucht. Des weiteren wird das Entstehen neuer Trümmer-Objekte mit dem Ziel späterer Vorbeugung erforscht, außerdem auch die Erarbeitung möglicher internationaler Standards zur Reduzierung des Weltraumschrotts.

Schadensfälle im Orbit

ESA

Ein 18 Zentimeter dicker Aluminium-Block, getroffen von einer Alukugel mit 1,2 Zentimetern Durchmesser und einer Geschwindigkeit von 6,8 Kilometern pro Sekunde.
(Bild: ESA)
Dass der Aufwand gerechtfertigt ist, und die Weltraumschrott-Forschung nicht nur mit dem Konjunktiv arbeitet, belegen zahlreiche Einschläge: allein die Solarflächen des Hubble Space Teleskops (HST) wurden Gegenstand von Tausenden Kollisionen mit sehr kleinen Teilchen. 174 komplette "Durchschüsse" fanden sich auf den 41 Quadratmetern der 0,7 Millimeter dicken Sonnensegel-Fläche. Der größte Einschlagskrater hatte dabei einen Durchmesser von acht Millimetern. Eine chemische Analyse half, zwischen Treffern von Mikrometeoroiden und denen von künstlichen Objekten zu unterscheiden. Eine funktionelle Einschränkung erlitt Hubble nicht. Auch ein bei der ersten Hubble Servicing Mission (1993) in der Hochleistungs-Antenne des HST entdecktes Loch von über einem Zentimeter Größe führte zu keiner Beeinträchtigung.

Weitaus Gravierenderes ereignete sich im Juli 1996. Frankreichs militärischer Aufklärungs-Satellit Cerise wurde von einem Trümmerteil getroffen und dabei ernsthaft beschädigt: ein 4,2 Meter großes Stück von Cerises Stabilisierungs-Ausleger wurde abgerissen. Bei dem Verursacher handelte es sich ironischerweise um ein katalogisiertes, also nicht unbekanntes, Fragment einer explodierten Ariane 1-Oberstufe, welches mit 14 Kilometern pro Sekunde seine Bahnen zog.

Schutzmaßnahmen im Orbit

In vielen Fällen schützt die ESA ihre Satelliten, oder zumindest deren kritische Bereiche wie Drucktanks, mit Schilden, eine Anforderung, die auch für bemannte Missionen obligatorisch ist. So sind alle ISS-Module mit Schilden ausgestattet. Die Internationale Raumstation ist damit das am besten geschützte Objekt, welches sich jemals in einer Bahn um die Erde bewegte. Eine Schild-Technologie sind die so genannten "Whipple Shields". Um sich gegen die Geschosse im Orbit zu wehren, benutzen diese ein mehrlagiges System ähnlich zu den Schutzmatten in Tanks von militärischem Fluggerät, welche Einschüsse von Hochgeschwindigkeits-Geschossen verhindern sollen.

Schutzmaßnahmen wurden auch für die Drucktanks an Bord vom Röntgen-Teleskop XMM-Newton und von der Raumsonde Rosetta getroffen. Hochgeschwindigkeits-Einschlagstests wurden durchgeführt für den Huygens-Hitzeschild, um sicherzugehen, dass dieser sogar mit einigen Treffer-Kratern nach der langen Reisedauer funktionstauglich ist.

Des weiteren gehört es heutzutage zum Standard, dass erdnahe Satelliten eine gewisse Menge an Treibstoff mit sich führen, die ausschließlich für Ausweichmanöver während der Betriebsdauer des Satelliten vorgesehen sind.

Objekte von ein bis zehn Zentimetern Größe verursachen die meiste Besorgnis. Sie sind zu klein und zu zahlreich um einzeln erfasst zu werden, könnten aber jeden Raumflugkörper, den sie treffen, beschädigen oder zerstören. Um das Risiko in diesem Größenbereich einzuschätzen, benutzen Wissenschaftler anspruchsvolle Wahrscheinlichkeitsmodelle und Software. Voraussagungen basieren auf dem Querschnittsbereich des Raumfahrtzeugs, seiner orbitalen Höhe und Flugbahn, der angenommenen Größe von Trümmer-Objekten, der Geometrie eines Kollisions-Ereignisses und der relativen Geschwindigkeit.

Für einen Satelliten mit einem Querschnitt von 100 Quadratmetern (einschließlich Solarflächen), der sich in einer Höhe von 400 Kilometern befindet, beträgt so die Zeit zwischen zwei Einschlägen eines Zehn-Zentimeter-Objekts ungefähr 15.000 Jahre.

Ein Beispiel: ESAs Erdbeobachtungs-Satellit ERS, der mit seinem "Synthetic Aperture Radar" (SAR) und mit anderen Instrumenten Ozeanwinde und Boden-Topographien misst, hat eine Profilfläche von ungefähr 30 Quadratmetern, die Durchschnittszeit zwischen zwei Einschlägen von Objekten größer als zehn Zentimeter ist somit ca. 4000 Jahre.

Obwohl diese Zahlen auf den ersten Blick beruhigend groß für einen einzigen Satelliten erscheinen, sollte man jedoch die große Gesamtanzahl an Raumfahrtsystemen im Hinterkopf haben. Wenn man ein kombiniertes Profil von allen Satelliten zusammenstellt, ist die Mittelzeit zwischen zwei zerstörenden Weltraumschrott-Kollisionen nur noch in etwa zehn Jahre. Bedenkt man nun, dass sogar ein einzelnes Kollisionsereignis mit einem Zehn-Zentimeter-Teil ein mehrere Millionen Euro teures Raumgefährt auslöschen könnte oder die bemannte ISS treffen könnte, dann wird das Risiko auch von einem einzigen Einschlag pro Jahrzehnt ein plötzlich sehr ernstzunehmendes.

Vorbeugungsmaßnahmen auf dem Boden

Es muss also etwas getan werden, um zumindest der Zunahme an Weltraumschrott Einhalt zu gebieten. Denn trotz Werkzeugen wie Schilden oder hoch entwickelter Software wird sich die Situation im All nicht verbessern, es sei denn, es werden konzentrierte, koordinierte und systematische Schritte in Richtung Linderung des Risikos getan, Schritte, die heute klar verstanden sind. Zu viele Teile könnten zukünftig das All zu gefährlich und riskant und damit unbrauchbar machen. Doch etwa 75 Raketenstarts jährlich zeigen, wie sehr wir heutzutage auf das All angewiesen sind.

Raumfahrtzeug-Betreiber müssen also absichtliche und unbeabsichtigte Zerstörungen und Explosionen ihrer All-Gefährten vermeiden, da diese die maßgebliche Quelle von nicht erfassbaren und damit tödlichen Trümmern sind. Eine einfache Möglichkeit ist es, verbleibenden Treibstoff von Raketen abzulassen oder zu verbrennen. Auch könnten bessere Batterien Explosionen vermeiden.

Der Gedanke, die Umlaufbahnen freizuräumen, also mit einem Raumflugkörper die Weltraumtrümmer einzusammeln oder unschädlich zu machen, bleibt bis heute eine technische und ökonomische Herausforderung.

Gefahrenpotenzial auf dem Boden

Von selbst befreit sich der Orbit nur überaus langsam von seiner Last. Je größer die Höhe, desto länger wird sich ein Stück Weltraumschrott in der Umlaufbahn befinden. Teile in Orbits unter 600 Kilometern fallen normalerweise schon innerhalb einiger Jahre zur Erde zurück. In Bereichen von 800 Kilometern Höhe wird die Zeit des Niedergangs oft in Jahrzehnten gemessen und oberhalb der 1000 Kilometer-Marke wird der Schrott normalerweise 100 Jahre und mehr die Erde umkreisen. Der Satellit Vanguard 1 ist laut NASA das älteste Stück Weltraumschrott, und dieser wurde immerhin bereits 1958 gestartet.

Tritt er jedoch in die Erdatmosphäre ein, übersteht ein Großteil des Schrotts den Wiedereintritt auf Grund der großen Hitzeentstehung nicht, sondern verglüht. Komponenten, die diesen Weidereintritt überstehen, fielen bisher meist in die Ozeane oder in spärlich besiedelte Gebiete wie die kanadische Tundra, den Australischen Outback, oder Sibirien. Seit den letzten 40 Jahren fiel durchschnittlich ein katalogisiertes Teil pro Tag auf die Erde zurück, insgesamt also 14.600 in diesem Zeitraum. Dabei gab es laut NASA keine ernste Verletzung oder einen deutlichen Eigentumsschaden. Das Risiko, auf der Erde von Weltraumtrümmern verletzt zu werden, ist mit 1 zu 1 Billion sehr gering, sogar deutlich geringer als die Wahrscheinlichkeit, in den USA von einem Blitz getroffen zu werden (1 zu 1,4 Millionen).

NASA

Der im April 2000 über Südafrika zusammen mit einem Drucktank aus Titan und einem Motorteil wiedereingetretene Delta II-Treibstoff-Tank.
(Bild: NASA)
Und doch gibt es spektakuläre Beispiele für die Rückkehr riesiger Schrott-Teile: Im Januar 1997 wurde in Texas ein 250 Kilogramm schwerer Treibstofftank gefunden, der Teil einer Delta II-Rakete war. Ein weiterer Treibstofftank gleicher Bauart und vom gleichen Raketentyp wurde im April 2000 bei Kapstadt entdeckt.

Unterhalb von 2000 Kilometern existiert die größte Anzahl an Schrott-Teilchen, wobei sich konzentrierte Vorkommen bei 800, 1000 und 1500 Kilometern Höhe befinden. Über die Verbreitung der Trümmerteile in geostationären Orbits bei 36.000 Kilometern Höhe weiß man nichts sehr genaues, hier sind die Möglichkeiten zur Identifizierung begrenzt. Wahrscheinlich ist jedoch, dass die Verbreitung dort geringer ist. Seitdem aber auch hier erhöhte Betriebsamkeit herrscht, heben viele Raumfahrzeugbetreiber ihre alten Satelliten am Ende ihrer Mission in höhere Entsorgungs-Bahnen.

Um also die Menge an Schrott zu verringern und damit die Sicherheit maßgeblich zu erhöhen, ist ein umfassendes weltweit akzeptiertes Rahmenwerk von Nöten. Der Bedarf zu diesem internationalen Verhaltenskodex wird immer anerkannter, nachdem individuelle Bemühungen einzelner Staaten zu wenig Erfolg führten, und die Zahl der Trümmerteilchen erheblich steigt. Das Inter-Agency Space Debris Commitee (etwa Agentur-übergreifendes Weltraumschrott-Komitee, IADC), zu dem die Raumfahrtagenturen von China, Frankreich, Deutschland, Indien, Italien, Japan, Ukraine, Großbritannien, der USA und Russland sowie die ESA gehören, hat 2002 Richtlinien zur Verminderung von Weltraumschrott erstellt. Damit werden Nutzer der Erdumlaufbahn verpflichtet, die kommerziell sehr wertvollen Zonen des niedrigen Erdorbits und der geostationären Umlaufbahnen zu schützen. Die in der Richtlinie enthaltenen Anforderungen beinhalten zum Beispiel eine Begrenzung von Müllentstehung während der normalen Operationszeit, das Verhindern von absichtlichen Raketen- oder Nutzlast-Zerstörungen sowie die korrekte Entsorgung von Raumfahrzeugen und Oberstufen. Typischerweise bewegt man diese in einen so genannten Friedhof-Orbit oder lässt sie kontrolliert in der Erdatmosphäre verglühen.
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