Quelle: ESA.

Die Organisation für Wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung (OECD) hat kürzlich ihren ersten Bericht über die wirtschaftlichen Kosten von Weltraummüll veröffentlicht. Auf der Grundlage von Forschungsergebnissen aus zahlreichen Quellen, darunter Daten und Analysen des Space Debris Office der ESA, wird darin dargelegt, welche Gefahren vor uns liegen, wenn wir nicht handeln, und was getan werden kann, um unsere Zukunft im Weltraum zu sichern.

Hier fassen wir die wichtigsten Ergebnisse des Berichts zusammen und erläutern, wie die ESA durch ihr Programm für Weltraumsicherheit (Space Safety Programme) zur Lösung des Problems beiträgt.

Ein wachsendes Problem

„Die wirtschaftliche und gesellschaftliche Verwundbarkeit aufgrund von Gefahren aus dem Weltraum, insbesondere Weltraummüll, nimmt zu“. – Nachhaltigkeit im Weltraum: Die Ökonomie des Weltraummülls in der OECD-Perspektive, 2020.

Die institutionelle und kommerzielle Nutzung des Weltraums nimmt zu, und zwar mit steigender Geschwindigkeit. Die Zahl der Satelliten in der Umlaufbahn wird mit dem Start von „Mega-Konstellationen“ für Satelliten-Breitband, die teilweise Tausende von Satelliten umfassen, weiter zunehmen, und damit steigt das Risiko von Kollisionen und mehr Weltraummüll (Space Debris).

Schon eine einzige Kollision oder Explosion im Weltraum erzeugt Tausende von sich schnell bewegenden kleinen Trümmerteilen, die in der Lage sind, einen funktionierenden Satelliten zu beschädigen oder zu zerstören. Beispielsweise verdoppelte die Zerstörung des Satelliten FengYun-1C im Jahr 2007 die Zahl der Objekte in einer Höhe von etwa 800 km und führte zu einer 30%igen Zunahme der gesamten Trümmerpopulation zu diesem Zeitpunkt.

Weltraummüll ist teuer und wird noch teurer werden

Zu den Kosten des Weltraummülls stellt der Bericht fest, dass „Maßnahmen zum Schutz und zur Eindämmung des Weltraummülls für die Satellitenbetreiber bereits kostspielig sind, aber die Hauptrisiken und -kosten liegen in der Zukunft, wenn die Erzeugung von Weltraummüll außer Kontrolle gerät und bestimmte Umlaufbahnen für menschliche Aktivitäten unbrauchbar macht“

Der Schutz von Satelliten vor Weltraummüll ist kostspielig, angefangen bei Konstruktionsmaßnahmen, über die Notwendigkeit der Beobachtung und Nachverfolgung bis hin zur Außerbetriebnahme von operationellen Satelliten und sogar zum vollständigen Ersatz von Missionen.

Bei Satelliten in geostationärer Umlaufbahn belaufen sich diese Kosten nach Angaben der OECD auf schätzungsweise 5-10% der gesamten Missionskosten, was Hunderte von Millionen Dollar betragen könnte. In niedrigen Erdumlaufbahnen könnten die relativen Kosten pro Mission sogar mehr als 5-10% betragen.

Die Kosten der Untätigkeit wären jedoch weitaus höher. Genügend Objekte in der Umlaufbahn könnten letztlich zum „Kessler-Syndrom“ führen, bei dem sich Kollisionen kaskadenartig ausbreiten und zu immer mehr sich selbst erzeugenden Kollisionen führen, und zu dem, was die OECD als „einen ökologischen Wendepunkt, der bestimmte Umlaufbahnen unbrauchbar machen könnte“ beschreibt.

Volkswirtschaften und Gesellschaften sind zunehmend anfällig für die Auswirkungen von Weltraummüll

Die sozioökonomischen Auswirkungen des Kessler-Syndroms wären schwerwiegend. Wichtige Raumfahrtanwendungen wie Wettervorhersage, Klimaüberwachung, Geowissenschaften und weltraumgestützte Kommunikation könnten verloren gehen. Die Nichtverfügbarkeit bestimmter Umlaufbahnen hätte weitreichende und bedeutende Folgen. Dem Bericht zufolge würden dazu gehören:

• Einzigartige Anwendungen und Funktionalitäten könnten verloren gehen (z.B. Internet und Kommunikationsdienste)
• Menschenleben könnten indirekt beeinträchtigt werden
• Unterbrochene Zeitreihen für Geowissenschaften und Klimaforschung
• Erhöhtes Aufkommen und Druck auf andere Umlaufbahnen
• Gebremstes Wirtschaftswachstum und Verlangsamung der Investitionen in diesem Sektor

Konkret heißt es in dem Bericht, dass „bestimmte geographische Gebiete und soziale Gruppen unverhältnismäßig stark betroffen wären, insbesondere in ländlichen Gebieten mit begrenzter bestehender Bodeninfrastruktur und großer Abhängigkeit von der Weltrauminfrastruktur“.

Wir tun nicht genug

Dem Bericht zufolge gibt es „umfassende nationale und internationale Minderungsmaßnahmen, deren Einhaltung jedoch nicht ausreicht, um die orbitale Umgebung zu stabilisieren“.

Die aktuellen Richtlinien zur Abschwächung von Weltraummüll für Betreiber, die Satelliten auf erdnahen und geostationären Umlaufbahnen nutzen, umfassen u.a:

• Vermeidung der absichtlichen Erzeugung von Trümmerteilen (einschließlich Anti-Satellitentests)
• Minimierung des Potentials für unbeabsichtigte Explosionen
• eine 25-jährige Deorbit-Regel für Missionen im erdnahen Orbit
• Missionen in einer geostationären Umlaufbahn sollten am Ende ihrer Lebensdauer in eine höhere „Friedhofsumlaufbahn“ gebracht werden, so dass sie den funktionierenden Satelliten nicht in die Quere kommen.
• Kollisionsvermeidung sollte, wenn möglich, stattfinden, ebenso wie die Minimierung des Gefährdungsrisikos am Boden durch den Wiedereintritt von Satelliten

Wie im jüngsten Weltraummüll-Umweltbericht der ESA zusammengefasst wird, halten sich die meisten Betreiber von Satelliten in geostationärer Umlaufbahn an diese Richtlinien, aber weniger als 60% derer, die in erdnahen Umlaufbahnen fliegen, halten sich daran (und nur 20% in Umlaufbahnen über 650 km). Mehrere Länder haben im Laufe der Jahre auch Antisatellitentests durchgeführt.

Das ESA-Programm für Weltraumsicherheit – Europas Antwort

Das Space Debris Office widmet sich dem Schutz gegenwärtiger Raumfahrtmissionen und der Sicherung einer nachhaltigen Zukunft der Raumfahrt. Jeden Tag überwachen und bewerten die Teams des Satellitenkontrollzentrums der ESA, dem ESOC in Darmstadt, die Wahrscheinlichkeit potenzieller Kollisionen im Orbit und begleiten die Flugingenieure bei der sicheren Durchführung ihrer Missionen.

Da immer mehr Satelliten in die Umlaufbahn gebracht werden, werden die derzeitigen „manuellen“ Methoden zur Vermeidung von Kollisionen im Weltraum und der Entstehung von Weltraummüll nicht ausreichen. Daher entwickelt die ESA im Rahmen des Programms für Weltraumsicherheit  (Space Safety Programme) Technologien zur „automatischen Kollisionsvermeidung„, die den Prozess der Kollisionsvermeidung effizienter machen werden.

Durch die Bewertung des Risikos und der Wahrscheinlichkeit von Kollisionen im Weltraum wird eine Software die Entscheidungsfindung darüber, ob ein Manöver erforderlich ist, verbessern und möglicherweise sogar Befehle an gefährdete Satelliten senden, aus dem Weg zu gehen.

Aber was ist mit dem Schrott, der sich bereits im Orbit befindet? Als Weltpremiere hat das Programm für Weltraumsicherheit eine Mission in Auftrag gegeben, die ein bestimmtes Objekt aus der Umlaufbahn entfernen soll.

Die Mission ClearSpace-1 nimmt eine Vespa-Oberstufe (Vega Secondary Payload Adapter) ins Visier, die nach dem zweiten Flug der ESA-Trägerrakete Vega im Jahr 2013 im Orbit verblieben ist.

Mit einer Masse von 100 kg hat Vespa die Größe eines Kleinsatelliten und ihre relativ einfache Form und robuste Konstruktion machen sie zu einem geeigneten ersten Ziel. Mit diesem ersten Schritt wird ein kommerzieller Dienst eingerichtet, der auch größere, anspruchsvollere „Einfang-Aktionen“ durchführen kann, zu denen irgendwann auch der Einfang von mehreren Objekten gehören wird.

Kollisionsvermeidung und Trümmerbeseitigung sind von entscheidender Bedeutung, um die Menge an Objekten im Weltraum zu reduzieren, aber die Einhaltung der oben beschriebenen Richtlinien zur Trümmerreduzierung hat den größten Einfluss auf unsere Weltraumumgebung. Das Space Debris Office überwacht die Einhaltung weltweit und arbeitet zusammen mit dem Clean Space Office der ESA daran, die globale Einhaltung durch operative und technologische Fortschritte zu verbessern.

Weitere Informationen im OECD-Bericht und auf der Website der ESA zum Weltraummüll.

Der Beitrag Die Kosten von Weltraummüll erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: ESA.

Das bei einem internationalen Wettbewerb ausgewählte Konsortium unter Leitung des Schweizer Startups ClearSpace arbeitet derzeit an detaillierten Bauplänen für einen „Abschleppwagen“, der 2025 in den Orbit starten soll. Mit seinen Greifarmen soll der Jäger ClearSpace-1 defekte Satelliten und größere Trümmer einsammeln und aus der Erdumlaufbahn entfernen, um die Gefahr weiterer Kollisionen und das Risiko für aktive Satelliten zu verringern.

„Wir müssen aktiv werden, wenn die Umlaufbahnen der Erde nutzbar bleiben sollen“, sagt Holger Krag, Leiter des Programms Weltraumsicherheit der ESA. Die Zentrale des Space Safety Programme ist im Satellitenkontrollzentrum der ESA, dem ESOC in Darmstadt angesiedelt. Im Herbst 2019 musste Krags Crew ein Ausweichmanöver für den ESA-Forschungssatelliten Aeolus steuern. Einer der Starlink-Satelliten des privaten US-Unternehmens SpaceX war auf Kollisionskurs mit dem Erdbeobachtungs-Satelliten der Europäischen Weltraumagentur. Bei einem Zusammenprall wären weitere tausende Schrottteile entstanden, deren bereits hohe Zahl das sichere Navigieren und Operieren im Erdorbit immer schwieriger macht und die wichtige Infrastruktur im All und Forschungsmissionen der Weltraumagenturen gefährdet.

Schon jetzt, so Holger Krag, vagabundieren rund 30 000 Objekte größer als zehn Zentimeter in den Erdumlaufbahnen. Oberhalb einer Größe von einem Zentimeter Durchmesser sind es über 900 000 Bruchstücke und zählt man die kleinen Schrotteile oberhalb des Ein-Millimeter-Bereiches, kommen gar über 150 Millionen Fragmente zusammen. Allesamt Rückstände früherer Missionen, ausgediente Oberstufen und inaktive Satelliten, die bei Zusammenstößen in einem Kaskadeneffekt immer neuen Weltraummüll entstehen lassen. „Die Trümmermenge wächst jedes Jahr gewaltig“, sagt der ESA-Wissenschaftler. Und mit der steigenden Zahl an Raumfahrtmissionen meist von privaten Betreibern, die Konstellationen aus tausenden Minisatelliten im Low Earth Orbit platzieren, könnte die Gefahr von Kollisionen und weiterer Trümmerbildung nochmals rasant steigen. Zumal mangelt es bisher an einem Datenaustausch. Holger Krag mahnt ein „Management des Verkehrs im Orbit“ an. Er arbeitet daran, „dass wir bis zur internationalen Space Debris Konferenz 2021 in Darmstadt erste Ideen vorweisen können“.

Die Mission Clear-Space-1, Teil der Clean Space Initiative der ESA, soll dabei zur wegweisenden Lösung für das Müllproblem werden. Die Initialzündung „für eine nachhaltige Raumfahrt“, hofft der Leiter des ESA-Programms Space Safety. In Zusammenarbeit mit dem kommerziellen Konsortium unter der Leitung des Schweizer Startup ClearSpace will die ESA erstmals eine Technologie zur aktiven Müllentsorgung im All testen und finanziell tragbar machen für private und staatliche Nutzer. Die Missionen des Abschleppwagens für Weltraumschrott sollen bezahlbar sein. „Die Mission soll einem zukünftigen Markt den Weg ebnen“, betont Krag.

Ziel ist dabei nicht, alle Trümmer aus den Umlaufbahnen zu beseitigen, sondern vorerst vor allem die großen, kritischen Schrottteile, die bei einer Kollision weitere hunderttausend kleine verursachen würden. „Die Großen sind die Quelle für Kleine“, sagt Krag. Studien der ESA und der NASA belegen, dass dies, neben der Müllvermeidung, eine wichtige Maßnahme ist, um die Orbitalumgebung zu stabilisieren. Die ESA hat das Projekt ADRIOS (Active Debris Removal / In-Orbit Servicing) ins Leben gerufen. Das Team von ADRIOS steht mit technischer Expertise und Rat der Mission ClearSpace-1 und dem privaten Konsortium zur Seite, um den Erfolg der ersten Müllabfuhr-Technologie zu sichern.

Rund 120 Millionen Euro kostet die Mission. „Das ESA-Team“, so Krag, „stellt im Gleichklang mit dem Fortgang der Arbeiten das Geld dafür bereit“. Und auch das erste Objekt, dass der Mülljäger von ClearSpace einfangen und entsorgen soll, wird ein ausgedientes Raumfahrtobjekt der Europäischen Raumfahrtagentur sein: Der Vespa (Vega Secondary Payload Adapter) Adapter, der nach dem Flug mit der ESA-Trägerrakete Vega 2013 auf einer Umlaufbahn von rund 800 x 660 Kilometer Höhe verblieb. Mit 100 Kilogramm ein relativ kleines Objekt von schlichter Form und robuster Konstruktion. „Ein gutes Übungsobjekt für den Anfang“, sagt Krag.

Der von ClearSpace entwickelte Jäger soll sich dem Schrottteil nähern, es mit seinen Roboterarmen einfangen und in eine sehr niedrige Umlaufbahn bringen, von wo aus beide innerhalb kurzer Zeit in der Atmosphäre verglühen sollen. Das ist der Plan. Umsetzen will ihn das Schweizer Spin-Off-Unternehmen, das von einen erfahrenen Weltraummüll-Forscherteam der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) gegründet wurde. Luc Piguet ist einer der drei Gründer und CEO von ClearSpace.
Entstanden ist die Idee, sagt er, aus eigener Erfahrung heraus. 2009 startete ein Team der EPFL den Swiss Cube – einen Nanosatelliten – für Forschungszwecke in den Erdorbit in 700 Kilometer Höhe. „Genau in den kritischen Space-Debris-Bereich. Mehrfach gab es Kollisionswarnungen“, berichtet der Elektroingenieur, der auch am „Executive Program“ der Stanford University teilgenommen hat. 2012 entschied sich das Team, den Swiss Cube zurückzuholen, „aber niemand wollte dafür zahlen“, sagt Piguet. Und es gab kein Müllabfuhrunternehmen im All, das diese Aufgabe übernehmen konnte. Noch nicht. Warum also nicht selbst etwas entwickeln? Im Orbit aufzuräumen, „dafür sahen wir einen großen Bedarf“, sagt der 48-Jährige. 2017 gründete er daher mit der Raumfahrtingenieurin Muriel Richard und der Industriedesignerin Catherin Johnson ClearSpace. „Das Service Offer Request (SOR) für In-Orbit Servicing/Debris Removal der ESA kam für uns zum richtigen Zeitpunkt“, so Piguet. Bei dem Wettbewerb überzeugten die Schweizer.
ClearSpace ist mittlerweile auf 12 Mitarbeiter und Externe sowie ein siebenköpfiges Team an der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne und an anderen Universitäten in der Schweiz angewachsen. Hinzu kommt ein Konsortium aus erfahrenen internationalen Unternehmen aus den acht an der ESA Mission beteiligten europäischen Staaten.

Eine der großen Herausforderungen der Mission ist die Technik, sagt Luc Piguet. Der ClearSpace-Jäger muss das Objekt mit Hilfe von Sensoren orten, präzise ansteuern und sich soweit nähern, dass die vier Greifarme das Trümmerteil oder den ausgedienten Satelliten einfangen können ohne jedoch mit ihm zu kollidieren. Schwierig wird es bei Objekten, die unkontrolliert rotieren. „Wir müssen zugreifen, bevor wir direkten Kontakt haben und erst dann ziehen wir den Weltraumschrott an unsere Basiseinheit heran und fixieren ihn dort“, erklärt er. Die Greiftechnik ist neu, ausprobieren lässt sie sich erst beim ersten Probelauf und Rendez-Vous mit Vespa im All. „Wir tragen eine große Verantwortung, dass dieses Verfahren funktioniert“, weiß Piguet. Zudem muss die Technologie möglichst wenig kosten, damit sich genügend Nachahmer finden. Für das Aufräumen im All sieht er einen großen Markt. „Es gibt heute schon 2000 ausgediente Satelliten, die entsorgt werden sollten.“

Künftige Missionen müssen so geplant werden, dass kein Weltraummüll mehr entsteht, betont Holger Krag. Zwar ist jedes Land für seine Gesetzgebung verantwortlich, doch er geht davon aus, dass sich etwas ändern muss und wird. „Wer seine Missionen nicht nachhaltig plant, muss künftig für das Aufräumen zahlen. Die ESA will die Technologie dafür liefern und zeigen, dass es geht. Wir wollen den Stein ins Rollen bringen“, sagt Krag.

Film zum Thema Space Debris:

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Quelle: ESA.

„Das Thema Weltraummüll ist dringender denn je.“

Nach einem Wettbewerbsverfahren wird das Konsortium unter Leitung des Schweizer Startups ClearSpace eingeladen, einen endgültigen Vorschlag einzureichen, bevor das Projekt im März nächsten Jahres beginnt. ClearSpace ist ein Spin-Off-Unternehmen, das von erfahrenen Forschern im Bereich Weltraummüll an der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne gegründet wurde.

„Jetzt ist der richtige Zeitpunkt für solch eine Mission“, sagt Luc Piguet, Gründer und CEO von ClearSpace. „Das Thema Weltraummüll ist dringender denn je. Derzeit befinden sich fast 2000 aktive und 3000 inaktive Satelliten im Weltraum.

„In den kommenden Jahren wird die Zahl der Satelliten erheblich steigen, wobei mehrere Mega-Konstellationen von Hunderten oder sogar Tausenden von Satelliten in der Erdumlaufbahn geplant sind, um Telekommunikations- und Überwachungsdienste mit großer Reichweite und geringer Latenz zu liefern. Es ist klar, dass ein „Abschleppwagen“ benötigt wird, um defekte Satelliten aus dieser stark frequentierten Region zu entfernen.“

Auf der ESA-Ministerratskonferenz Space19+, die vom 27. Bis 28. November 2019 in Sevilla stattfand, vereinbarten die Minister, einen Dienstleistungsvertrag mit einem kommerziellen Anbieter abzuschließen, um ein inaktives ESA-Objekt sicher aus der niedrigen Erdumlaufbahn zu entfernen.

Im Rahmen des neuen ESA-Raumfahrtprogramms soll ein aktiver Beitrag zur Beseitigung von Raumfahrtrückständen geleistet und die Technologien zur Trümmerbeseitigung erprobt werden.

„Selbst wenn morgen alle Raketenstarts gestoppt würden, zeigen Prognosen, dass die Gesamtpopulation der orbitalen Trümmer weiter wachsen wird, da Kollisionen zwischen den Elementen neuer Trümmer in einem Kaskadeneffekt erzeugen. Wir müssen Technologien entwickeln, um die Entstehung neuer Trümmer zu vermeiden und die bereits vorhandenen Rückstände zu entfernen“, sagt Luisa Innocenti, Leiterin der Initiative Clean Space der ESA.

Ergebnisse des Active Debris Removal/ In-Orbit Servicing-Projekts ADRIOS werden auf ClearSpace-1 übertragen

„NASA- und ESA-Studien zeigen, dass der einzige Weg zur Stabilisierung der Orbitalumgebung darin besteht, große Trümmer aktiv zu entfernen. Dementsprechend werden wir unsere Entwicklung der wesentlichen Leit-, Navigations- und Steuerungstechnologien sowie der Rendez-vous und Greifmethoden durch ein neues Projekt namens Active Debris Removal/ In-Orbit Servicing – ADRIOS fortsetzen. Die Ergebnisse werden auf ClearSpace-1 übertragen. Diese neue Mission, durchgeführt von einem ESA-Projektteam, wird es uns ermöglichen, diese Technologien zu demonstrieren und dabei eine Weltneuheit zu erreichen.“

Zielobjekt der ClearSpace-1-Mission ist die Vespa (Vega Secondary Payload Adapter) Oberstufe, die nach dem Erstflug der ESA-Trägerrakete Vega im Jahr 2013 auf einer Umlaufbahn von ca. 800 x 660 km Höhe liegt. Mit einer Masse von 100 kg ist Vespa fast so groß wie ein Kleinsatellit, während ihre relativ schlichte Form und ihre robuste Konstruktion sie zu einem geeigneten ersten Ziel machen. Folgemissionen werden dann zu größeren, anspruchsvolleren Aufgaben übergehen – einschließlich der Erfassung mehrerer Objekte im Rahmen einer Mission.

Der ClearSpace-1 „Chaser“ wird für die Inbetriebnahme und kritische Tests in eine niedrigere 500-km-Umlaufbahn gebracht, bevor er zum Rendez-vous und zur Erfassung mit einem Quartett von Roboterarmen unter Aufsicht der ESA seine höhere Zielumlaufbahn ansteuert. Der Chaser und Vespa werden dann zusammen aus dem Orbit gebracht, um schließlich in der Erdatmosphäre zu verbrennen.

„Stellen Sie sich vor, wie gefährlich das Segeln auf hoher See wäre, wenn alle Schiffe, die in der Geschichte jemals verloren gegangen sind, immer noch auf dem Wasser treiben würden“, sagt ESA-Generaldirektor Jan Wörner.

„Das ist die aktuelle Situation im Orbit, und es darf so nicht weitergehen. Die Mitgliedstaaten der ESA haben diese neue Mission, die auch den Weg zu wesentlichen neuen kommerziellen Dienstleistungen in der Zukunft weist, nachdrücklich unterstützt.“

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