Nach intensiven Tests wurde die Izaña-1 Laser-Entfernungsmessstation der ESA auf Teneriffa, Spanien, in Betrieb genommen. Nach der „Stationsabnahme“ hat sie das mit dem Bau beauftragte deutsche Unternehmen DiGOS an die ESA übergeben. Die Station ist als Technologietestbett auch ein wichtiger erster Schritt, um in Zukunft allen Beteiligten in der Raumfahrt das Vermeiden von Weltraummüll zu ermöglichen. Eine Information der ESA.

Quelle: ESA / Space in Member States / Germany

Von der Satellitenüberwachung bis zur Nachverfolgung von Trümmerobjekten

ESA, 11. März 2022. Stellen Sie sich vor, dass Laser von der Erde aus in den Himmel gerichtet werden, um Satelliten und Weltraummüll aufzuspüren und deren Positionen und Flugbahnen zu messen, um folgenreiche Kollisionen zu verhindern. Tatsächlich sieht so bald der Alltag auf der neuen Izaña 1 (IZN-1) Station zur Laserentfernungsmessung der ESA auf Teneriffa, Spanien, aus.

Die von der ESA entwickelte und betriebene IZN-1-Station ist ein Prüfstand für zukünftige Technologien und wurde Mitte 2021 auf dem Teide-Observatorium installiert.

Die Station, das Teleskop und der Laser wurden mehrere Monate getestet bevor sie im Juli letzten Jahres in Betrieb genommen wurden. Seitdem ist der grüne Strahl aus gebündeltem Licht gen Himmel gerichtet, um aktive Satelliten zu erkennen, zu verfolgen und zu beobachten.

Derzeit arbeitet der Laser mit einer Leistung von 150 mW. Doch bald wird er aufgerüstet, um zusätzlich zu Satelliten auch Trümmerobjekte (Space Debris) dank eines noch viel stärkeren Infrarotlasers mit einer durchschnittlichen Leistung von 50 Watt verfolgen zu können.

„Derzeit können nur Satelliten, die mit Retroreflektoren ausgestattet sind, von der ESA-Station Izaña aus verfolgt werden. Diese machen nur einen Teil der Gesamtpopulation aus“, erklärt Clemens Heese, Leiter der ESA-Abteilung Optical Technologies.

„Die Station wird in den kommenden Jahren nachgerüstet, sodass wir auch bei weniger kooperationswilligen Zielen – vor allem bei Trümmerobjekten und älteren Satelliten ohne Retroreflektoren – dieselben wichtigen Entfernungsmessungen durchführen können.“

Die erste von vielen Stationen zur Laserentfernungsmessung in Europa

Zwar gibt es in ganz Europa Dutzende solcher Laser-Tracking-Stationen. Doch die Izaña-Station stellt mit ihrer Doppelfunktionalität ein Novum dar. Die von der deutschen Firma DiGOS gebaute, ferngesteuerte Izaña-Station kann auch für die optische Kommunikation genutzt werden und soll zu einem hochmodernen, völlig autonomen robotischen System werden. Sie wird die erste ihrer Art von hoffentlich vielen weltweit sein.

Mit einer Technologie, die in der Geschichte der bodengestützten Beobachtung von Weltraummüll relativ neu ist, kann die Station bislang unsichtbare, nicht mehr funktionierende Objekte im All aufspüren.

Als Teil des ESA-Programms für Weltraumsicherheit (Space Safety) unterstützt die Izaña-1-Station die Kollisionsvermeidung und bietet ein Testbett für neue nachhaltige Technologien wie die Laserimpulsübertragung und für die Koordination des Weltraumverkehrs.

Eine solche Satelliten- und Trümmerverfolgungskapazität in Europa könnte dazu beitragen, einen europäischen Katalog an Weltraumobjekten aufzubauen und zugänglich zu machen.

Laser im Weltraum. Ist das überhaupt sicher?

Aber was ist mit Vögeln, Flugzeugen und Astronaut*innen? Ist das Ausrichten von Lasern in den Himmel nicht mit einem inakzeptablen Risiko verbunden?

Letztendlich wird die IZN-1-Station eine Laserleistung von weniger als 100 Watt nutzen, was etwa einem Zwanzigstel der Leistung eines elektrischen Wasserkochers entspricht.

Die punktgenauen Lichtquellen geben kurze Lichtimpulse auf ihr Ziel ab und man kann durch Laufzeitmessung des rückgestreuten Lichts die Entfernung des Objekts bestimmen. Mithilfe mehrerer solcher Messungen können auch die Geschwindigkeit und die Umlaufbahn von Objekten mit Millimetergenauigkeit berechnet werden.

Obwohl derartige Laser die Zielobjekte nicht annähernd schneiden oder auch nur anstupsen, können sie empfindliche optische Instrumente auf Satelliten beschädigen. Und auch die Flugbahnen von Flugzeugen müssen berücksichtigt werden.

Wenn Laser auf Flugzeuge treffen, können sie sehr gefährlich sein, da Pilotinnen und Piloten abgelenkt werden und im schlimmsten Fall die Kontrolle verlieren können“, erklärt Andrea di Mira, Ingenieur für Optoelektronik bei der ESA.

„Wir sind sehr, sehr vorsichtig, dass dies nicht passiert. Wir benutzen eine Reihe von Sensoren, die den Himmel nach Flugzeugen absuchen, um sicherzustellen, dass unsere Laser nicht einmal in deren Nähe kommen.“

Die Laser könnten auch Teleskope stören, die den Nachthimmel beobachten. Um dies zu verhindern, wurde vom Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) das Laser Traffic Control System (LTCS) eingeführt – ähnlich wie die IZN-1-Station Kollisionen zwischen Objekten in der Umlaufbahn verhindert, verhindert die LTCS-Software „Kollisionen“ zwischen Laserlicht und Beobachtungszonen. Außerdem können durch den Wechsel zu einer Infrarot-Laserfrequenz Störungen anderer Astronom*innen vermieden werden, da deren Teleskope für diesen Spektralbereich häufig „blind“ sind.

Ein wichtiger Schritt zur Kontrolle des Weltraumverkehrs

Die Ära des so genannten „New Space“ ist mittlerweile in vollem Gange. Es werden große Konstellationen in den Himmel gebracht, die aus Tausenden, manchmal Zehntausenden von Satelliten bestehen.

Die gegenwärtigen, kostspieligen Methoden zur Kollisionsvermeidung werden mit zunehmender Zahl von Raumfahrzeugen unbrauchbar, sodass die internationale Raumfahrtgemeinschaft eine Methode zur Kontrolle des Weltraumverkehrs festlegen muss.

Dazu ist eine präzise und schnelle Bestimmung der Position, der Geschwindigkeit und der Umlaufbahn von Weltraumobjekten unabdingbar, wobei die ESA-Station IZN-1 ein dringend benötigtes Testbett für die Entwicklung dieser Technologie bieten wird, die weitaus genauer ist als die derzeitigen Radarmethoden.

Fokus auf die Zukunft

In naher Zukunft wird die ESA-Station IZN-1 eine völlig autonome, hochproduktive Satelliten- und Objektverfolgungsstation sein. Außerdem soll das Konzept der „vernetzten Laserentfernungsmessung von Weltraummüll“ getestet werden, um einen Satellitenkatalog erstellen zu können.

Im Bereich „Optische Kommunikation“ wird die Station zusätzlich für den Empfang von Signalen mit einer sehr hohen Datenübertragungsrate von 10 Gigabit und mehr (entsprechend den internationalen Standards) von Satelliten in einer 400 km entfernten erdnahen Umlaufbahn aufgerüstet.

Izaña wird dann Teil eines geplanten europäischen optischen Nukleusnetzwerkes (Optical Nucleus Network) sein, dem ersten betriebsfähigen optischen Kommunikations-Bodenstationsdienst seiner Art, der der breiteren kommerziellen Raumfahrtgemeinschaft zur Verfügung gestellt werden wird.

Darüber hinaus bietet die Station die Möglichkeit, Technologien für den „Laser-Momentum-Transfer“ zu erproben und zu entwickeln, bei dem Laser Trümmerobjekte nicht nur anstrahlen, sondern sie ganz sanft in leicht veränderte neue Umlaufbahnen schieben, damit sie möglichen Kollisionen aus dem Weg gehen und sich von den verkehrsreichsten Umlaufbahnen fernhalten.

Mit der IZN-1-Station wird eine vielversprechende Zukunft nachhaltiger Technologien eingeleitet, die für eine verantwortungsvolle Zukunft im Orbit und darüber hinaus unerlässlich sind.

Moderne Infrastruktur schützen

Wir sind heute im Alltag sowohl im Weltraum als auch auf der Erde auf vernetzte Technologien angewiesen. Aber diese Infrastruktur und alle damit verbundenen Aspekte sind verwundbar.

Sonnenstürme können Stromnetze beschädigen, die Telekommunikation lahmlegen und Satelliten und die damit verbundenen wichtigen Dienste bedrohen. Da wir gleichzeitig immer mehr Satelliten in die Umlaufbahn bringen, erhöhen wir auch das Risiko, zunehmend mehr Trümmerobjekte zu erzeugen. Dadurch erhöht sich die Möglichkeit von Kollisionen für aktuelle und zukünftige Missionen erheblich: Unser Erfolg im Weltraum könnte uns zum Verhängnis werden.

Der neue „Protect-Accelerator“ soll im Rahmen der Zukunftsvision der ESA die Robustheit der Technologien sicherstellen, von denen unsere moderne Welt abhängt. Durch die Erkennung von und Vorwarnung vor herannahenden Sonnenstürmen können wir unsere Infrastruktur im Weltraum und auf dem Boden schützen. Durch die Förderung der nachhaltigen Nutzung der Umlaufbahnen um die Erde als endliche und begrenzte Ressource können wir sicherstellen, dass die Möglichkeiten des Weltraums auch für künftige Generationen zugänglich bleiben.

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• Weltraummüll

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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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• Weltraummüll

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Ein Beitrag von Florian Stremmel. Quelle: ESA.

Das fortwährende Auseinanderbrechen des im Jahre 1930 entdeckten Kometen kann die europäische Raumfahrtagentur nun mit Hilfe der optischen Bodenstation in Teneriffa verfolgen, zu deren Ausstattung eine neue Kamera zählt. Diese ermöglichte es, Drehungen einzelner Fragmente des Kometen detailreich zu beobachten.

Bei der von der ESA entwickelten, supraleitenden Kamera SCAM (superconducting camera) handelt es sich um eine Photonen zählende Kamera, die fast bis auf den absoluten Nullpunkt (-273,15 °C), genauer gesagt, Dreihundert-Tausendstel Grad darüber, gekühlt wird. Dies ermöglicht ihren empfindlichen Elektronen-Detektoren (auch supraleitende Tunnel-Detektoren), beinahe jedes einzelne Licht-Teilchen (Photon) zu registrieren, das einfällt. Damit ist die Kamera ein sehr gutes Instrument, um schnelle und schwache Veränderungen der Komet-Fragmente zu entdecken.
Das nach seinen Entdeckern benannte Objekt 73P/Schwassmann-Wachmann, auch Schwassmann-Wachmann 3, ist ein kurz-periodischer Komet, der sich alle 5,4 Jahre der Sonne nähert. Vor zwei Annäherungen, sprich im Jahre 1996, zerbrach der Kometenkern in fünf Stücke (Fragmente A, B, C, D und E) von denen drei (B, C und E) bei seiner Wiederkehr 2001 immer noch sichtbar waren.

Als der Komet in diesem Jahr der Sonne wieder näher kam, waren anfangs sieben Bruchstücke zu sehen, folglich geht der Prozess des Auseinanderbrechens weiter. Und so konnten Astronomen beobachten, wie sich weitere Fragmente abtrennten; allein Fragment B produzierte mindestens sieben neue Einzelteile. Insgesamt sind zur Zeit ungefähr 40 Bruchstücke sichtbar, von denen die meisten sehr klein und von unregelmäßiger und kurzlebiger Aktivität sind.

SCAM wurde am 7. Mai 2006 an das Einmeter-Teleskop der optischen Bodenstation der Europäer angebracht, um kurz danach 73P/Schwassmann-Wachmann unter die Lupe zu nehmen. Alle paar Mikrosekunden wertet die Kamera die Anzahl der Photonen, die es berührt haben, sowie deren Farbe aus. Die ESA-Wissenschaftler nutzten die zuvor nicht da gewesene Genauigkeit des Instruments, um die Entwicklung von Staub- und Gashüllen in Verbindung mit jedem einzelnen Bruchstück zwei Stunden lang aufzuzeichnen. Nun müssen die Ergebnisse analysiert werden. Speziell wird nach Unterschieden hinsichtlich der Größe und Form sowie nach Farbdifferenzen der einzelnen Teilobjekte untereinander gesucht. Dies könnte Hinweise auf unterschiedliche Zusammensetzungen geben.

Die hohe Auflösung hinsichtlich der Zeit ermöglichte zusätzlich weitere Untersuchungen. Von jedem Fragment können Brüche und andere Aktivitäten verfolgt werden, bis hin zu Veränderungen, die sich innerhalb einer Minute ereignen. Zusätzlich ermöglichen es die Beobachtungen, Wechselwirkungen zwischen den Gas- und Staubströmen der zwei sich zueinander am nächsten befindlichen Fragmente zu studieren. Deren Partikel werden bei einer Geschwindigkeit zwischen 0,5 und einem Kilometer pro Sekunde freigesetzt.

73P/Schwassmann-Wachmann gehörte zur engeren Auswahl derjenigen Kometen, die als mögliches Ziel von ESA’s Rosetta-Mission betrachtet wurden. 1995, kurz vor dem ersten Auseinanderbrechen, fiel die Entscheidung gegen ihn und zu Gunsten von 46P/Wirtanen. Auch nach der Startverschiebung im Jahr 2003 wollte die Raumfahrtagentur 73P/Schwassmann-Wachmann nicht zum Ziel der Mission machen, weil sein Verhalten zu unbeständig war und damit ein zu großes Risiko dargestellt hätte. Im Jahr 2014 wird Rosetta den Kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko erreichen und das Landegerät Philae absetzen.

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