Quelle: Universität Bern.

Am Nachmittag des 10. Februars 2009 stieß über Sibirien in einer Höhe von rund 800 Kilometern der aktive Telefoniesatellit Iridium 33 mit dem ausgedienten Kommunikationssatelliten Kosmos 2251 zusammen. Der Aufprall erfolgte mit einer Geschwindigkeit von 11,7 Kilometern pro Sekunde und erzeugte eine Trümmerwolke aus über 2000 Bruchstücken größer als 10 Zentimeter. Innerhalb weniger Monate breiteten sich diese Trümmer weiträumig aus und drohen seither mit weiteren aktiven Satelliten zusammenzustoßen. Dieses Ereignis war ein Weckruf für sämtliche Satellitenbetreiber, aber auch für die Politik. «Die Problematik von so genanntem Weltraumschrott – ausgedienten künstlichen Objekten im Weltraum – erhielt eine neue Dimension», sagt Professor Thomas Schildknecht, der Leiter des Observatoriums Zimmerwald und Vizedirektor des Astronomischen Instituts der Universität Bern.

Im erdnahen Raum wird es eng
In gewissen Bahnbereichen ist das Risiko für Kollisionen schon heute so hoch, dass aktive Satelliten regelmäßig Manöver durchführen müssen, um Schrottteilen auszuweichen. Die Europäische Weltraumagentur ESA verarbeitet für ihre Satellitenflotte tausende von Kollisionswarnungen pro Satellit und Jahr und führt dutzende von Manöver pro Jahr durch.

Meistens ist der potentielle Kollisionspartner eines von rund 20.000 bekannten Raumschrott-Objekte (engl. «space debris»). «Leider sind die Bahnen dieser ausgedienten Satelliten, Oberstufen von Trägerraketen oder Bruchstücken von Kollisionen und Explosionen nur sehr ungenau bekannt, das heißt, nur auf einige hundert Meter», erklärt Schildknecht. Es sei daher oft unmöglich zu entscheiden, ob ein Ausweichmanöver, das jeweils sehr kostspielig sei, überhaupt nötig sei und das Risiko wirklich verkleinere.

Genaue Bahnen dank Laserdistanzmessungen
Die Messung von Distanzen zu solchen Objekten mittels der sog. «Satellite Laser Ranging»-Methode ist eine wirksame Technologie, um die Bahngenauigkeit auf wenige Meter zu verbessern. «Wir verwenden die Technik am Observatorium Zimmerwald seit Jahren, um Objekte, welche mit speziellen Laser-Retroreflektoren ausgerüstet sind, zu messen. Bis heute ist es nur wenigen Observatorien weltweit gelungen, mit speziellen, leistungsstarken Lasern Distanzen zu Weltraumschrott zu bestimmen», so Schildknecht weiter. Zudem waren diese Messungen aus technischen Gründen bis dahin nur in der Nacht möglich.

Der Durchbruch – Tagesbeobachtungen mit geodätischem Laser
Am 24. Juni 2020 ist es nun Forschenden der Universität Bern gelungen, weltweit erstmals überhaupt Tageslicht-Beobachtungen von Raumschrott-Teilen mittels eines geodätischen Lasers am Swiss Optical Ground Station and Geodynamics Observatory Zimmerwald durchzuführen. Geodätische Laser-Systeme sind mindestens eine Größenordnung weniger leistungsfähig als hochspezialisierte Raumschrott-Laser. Zudem stellt die Erkennung der einzelnen Laser-Photonen, die von den Raumschrott-Objekten diffus reflektiert werden, in der Flut der Hintergrund-Photonen des hellen Tageshimmels eine besondere Herausforderung dar. Der Erfolg am Observatorium Zimmerwald war nur dank der Kombination von aktiver Verfolgung des Schrott-Teiles mittels einer hochsensitiven wissenschaftlichen CMOS-Kamera mit Echtzeit-Bildverarbeitung und einem digitalen Echtzeit-Filter zur Erkennung der vom Objekt reflektierten Photonen möglich.

Thomas Schildknecht bemerkt dazu: «Die Möglichkeit am Tag zu beobachten erlaubt, die Anzahl Messungen zu vervielfachen. Es gibt ein ganzes Netzwerk von Stationen mit geodätischen Lasern, welche in Zukunft am Aufbau eines hochpräzisen Bahnkatalogs vom Raumschrott mitwirken könnten. Genauere Bahnen sind in Zukunft das ‘A und O’, um Kollisionen zu vermeiden und die Sicherheit und Nachhaltigkeit im Weltraum zu verbessern.»

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Quelle: ESA.

Laser auf der Erde werden eingesetzt, um die Position von Weltraummüll zu messen und liefern entscheidende Informationen darüber, wie Kollisionen im Weltraum vermieden werden können. Bis jetzt hat dieser Prototyp unter einem fatalen Fehler gelitten, da er nur beschränkt einsatzbereit war.

Zuvor konnten Laser zur Messung der Entfernung von Weltraummüll nur während der kurzen Dämmerungszeit eingesetzt werden. So wie der Mond die Sonnenstrahlen in der Nacht reflektiert, leuchtet auch Weltraumschrott unter Einwirkung von Sonnenlicht in der Nacht und ist deshalb leichter zu erkennen.

Da sich die Trümmer jedoch in der erdnahen Umlaufbahn befinden, ist das Zeitfenster in dem sie beleuchtet sind, nur sehr klein, was Observatorien in ihrer Beobachtungszeit einschränkt.

Eine kürzlich durchgeführte Studie hat jedoch bewiesen, dass es tatsächlich möglich ist, bei vollem Tageslicht Laser zu verwenden, um den Abstand zu Trümmern zu bestimmen. Diese neue Methode der Laser-Entfernungsmessung wird entscheidend dazu beitragen, die Bahnvorhersagen für Trümmerobjekte zu verbessern, die für Beobachtungen zur Verfügung stehende Zeit drastisch zu erhöhen und kritische Raumfahrzeuge zu schützen.

Durch den Einsatz einer speziellen Kombination von Teleskopen, Detektoren und Lichtfiltern bei bestimmten Wellenlängen haben Forscherinnen und Forscher herausgefunden, dass es tatsächlich möglich ist, den Kontrast von Objekten im Tageslicht zu erhöhen, so dass Objekte sichtbar werden, die bislang unkenntlich waren.

„Wir sind an die Vorstellung gewöhnt, dass man Sterne nur nachts sehen kann und das gilt auch für die Beobachtung von Trümmern mit Teleskopen, nur eben mit einem viel kleineren Zeitfenster für die Beobachtung von Objekten in niedriger Umlaufbahn“, erklärt Tim Flohrer, Leiter des Space Debris Office der ESA.

„Mit dieser neuen Technik wird es möglich, bisher ‚unsichtbare‘ Objekte im blauen Himmel zu verfolgen, was bedeutet, dass wir den ganzen Tag mit Laser-Ranging arbeiten können, um die Kollisionsvermeidung zu unterstützen.

In der Dunkelheit herumschwirrende Trümmer
Unser Planet ist in einen Schleier aus Trümmern gehüllt – Millionen kleiner, aber gefährlicher Fragmente, die von früheren Weltraumstarts, Explosionen und Kollisionen im Orbit übrig geblieben sind.

Hinzu kommen Hunderte von ganzen und nicht mehr aktiven Weltraumobjekten, die versagt haben oder aufgegeben wurden und unkontrolliert im Weltraum herumschweben.

Selbst millimetergroße Fragmente, die sich mit einer Geschwindigkeit von etwa sieben Kilometern pro Sekunde fortbewegen, können einen Satelliten beim Aufprall ernsthaft beschädigen. Die Kollision mit einem nicht mehr funktionsfähigen Raumschiff oder mit großen Fragmenten können funktionierende Missionen sogar völlig zerstören.

Aus diesem Grund ist es wichtig zu verstehen, wo sich die Trümmerfragmente befinden, damit wir ihnen ausweichen können – es ist allerdings nicht einfach, diese Informationen zu erhalten.

Die Laser-Entfernungsmessung ist mittlerweile eine sehr gut etablierte Technologie, bei der ein erdgestützter Laser Lichtpulse an einen Satelliten sendet, der mit einem Reflektor ausgestattet ist.

Indem man misst, wie lange es dauert, bis das Signal zu einem Teleskop auf der Erde zurückkehrt, die so genannte „Zweiwege-Reisezeit“, kann die Entfernung zum Satelliten genau bestimmt werden.

Leider tragen nur wenige Satelliten einen „Retro-Reflektor“, mit dem das Licht leicht reflektiert und zur Erde zurückgeworfen werden kann. Die Bestimmung der Entfernung zu solchen Objekten wurde erst vor wenigen Jahren demonstriert, aber die Entwicklung der entsprechenden Technologien schreitet rasch voran.

Aufspüren von Weltraumtrümmern bei Tageslicht
Bei den jüngsten Tests wurden 40 verschiedene Trümmerobjekte und Sterne, die etwa zehnmal schwächer waren als das, was man mit bloßem Auge erkennen kann mit der neuen Technik beobachtet. Das Ergebnis war, dass sie auch im blauen Himmel sichtbar wurden und sich zum ersten Mal mitten am Tag beobachten ließen – etwas, das vorher nicht möglich gewesen wäre.

„Wir erwarten, dass diese Ergebnisse die Beobachtungszeiten von Weltraumschrott in naher Zukunft deutlich verlängern werden“, erklärt Michael Steindorfer von der Österreichischen Akademie der Wissenschaften.

„Letztlich bedeutet dies, dass wir die Trümmerpopulation besser kennenlernen und so die europäische Weltrauminfrastruktur besser schützen können“, so Steindorfer.

Die Weiterentwicklung solcher Technologien ist ein Kernziel des ESA-Programms für Weltraumsicherheit, wozu auch der Aufbau eines Bodennetzwerks von Laserentfernungsmessstationen für Weltraummüll gehört.

Eine neue Laserstation neben der bekannten optischen Bodenstation der ESA auf den Kanarischen Inseln wartet auf ihren Einsatz, die als Prüfstand für Laserentfernungstechnologien und zur Entwicklung von Netzwerkkonzepten dienen soll.

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