RemoveDEBRIS – Die Raumfahrt

Weltraumschrott

Wer räumt den Orbit auf?

  • Kollisionen7.000 große Fragmente entstanden allein durch zwei Kollisionen im erdnahen Orbit – 2007 und 2009. Die Zahl der mehr als zehn Zentimeter großen Teile in der Erdumlaufbahn stieg damals um 30 Prozent.
  • Glühende EntsorgungIm Schnitt verglüht jeden Tag mindestes ein größeres Teil Weltraumschrott in der Erdatmosphäre. In 400 Kilometern Bahnhöhe bleiben Debristeile etwa ein Jahr lang im Weltraum. Ziel ist, diesen Prozess zu beschleunigen.
  • DurchschlagskraftBei einer Geschwindigkeit von 28800 km/h und mehr kann ein nur millimetergroßes Debris-Teilchen einen aktiven Satelliten schwer beschädigen oder gar zerstören. Auch durch solche kleinen Zusammenstöße entsteht nach und nach immer mehr Weltraumschrott.
  • Weltraumschrott vermeidenDie deutschen Raumfahrtunternehmen halten sich an die freiwilligen internationalen Richtlinien. Sie verwenden weniger resistente Werkstoffe und sorgen dafür, dass ihre Satelliten nach Ende der Betriebszeit die Orbits räumen und, wenn möglich, in der Atmosphäre verglühen können.
  • Ausweichmanöver Zehn- bis zwölfmal pro Jahr muss die Internationale Raumstation ISS ihren Kurs ändern, um Kollisionen zu vermeiden. Die ISS kann Einschlägen von bis zu etwa einem Zentimeter großen Debristeilen gut standhalten. Ihre äußere Hülle wird regelmäßig überprüft.
  • Beteiligte BDLI-UnternehmenBislang forschen in Deutschland vor allem das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und Airbus nach Lösungen, Weltraumschrott zu orten und zu entfernen.

Kann es wirklich so einfach sein?  Im September 2018 wirbelt ein kleiner Cube-Satellit durch die Schwärze des Weltalls. Plötzlich schießt ein sechsarmiges weißes Netz ins Bild, breitet sich aus, umschlingt den Cube-Sat und trudelt mit ihm davon. Nach 40 Sekunden ist alles vorbei. Das Ganze hat etwas von Fischefangen. „Der Vergleich passt“, sagt Ingo Retat, Netz-Projektleiter in Bremen für die internationale RemoveDEBRIS-Mission (englisch für „Schrott entfernen“) unter der Leitung der englischen Universität Surrey. „Die Inspiration kam wirklich vom Fischen. Aber so einfach, wie es in dem Video aussieht, ist es nicht. In diesen Minuten stecken mehr als zehn Jahre Nachdenken, Planung, Entwicklung und Tests.“

Der rund 100Kilogramm schwere Testsatellit RemoveDEBRIS war schon im Juni 2018 von der Internationalen Raumstation ISS aus gestartet worden. Ziel war, mehrere Fangmethoden und ein optisches Ortungssystem zu testen, mit dem künftig Entfernung, Richtung und Geschwindigkeit eines einzufangenden Weltraummüllteils bestimmt werden können.

 

Der kleine CubeSat wurde vom Testsatelliten ausgesetzt. Als er etwa sechs Meter entfernt war, wurde das etwa fünf Meter große High-Tech-Fasernetz abgeschossen. 300 Gramm schwere Gewichte an den Enden der Fangarme helfen, das Netz auszubreiten. Wenn es sein Ziel erreicht hat, zieht ein Schließfaden das Netz zusammen. ©Surrey Space Centre

 

Auch die Inspiration für das zweite Experiment der Mission, eine Harpune, kommt aus der Fischerei. Im Video ist gut zu sehen wie sie mit 20m/s eine Platte durchbohrt, die mit einer flexiblen Stange mit dem RemoveDEBRIS-Satelliten verbunden ist und mit Wucht an ihrem Verbindungsseil zurückschleudert. „Die Harpune mussten wir mit dem Testsatelliten verbinden – sie war so schnell, dass sie ein halbes Jahr später auf die ISS hätte treffen können“, sagt Retat.

 

Für das Harpunenexperiment wurde eine kleine Sandwich-Platte an einem 1,5 Meter langen flexiblen Ausleger ausgefahren und anschließend von der Harpune durchbohrt. Auch dieses Experiment wurde in Bremen gebaut. ALT: Ein Kubus, der am Ende eines dünnen Trägers gehalten wird, wird von einer Harpune abgeschossen. Der Arm knickt ab und wirbelt herum. ©Surrey Space Centre

Die Wucht einer Handgranate

Rund 8.400 Tonnen Weltraumschrott wirbeln derzeit um die Erde. Vom verlorenen Astronautenwerkzeug bis hin zu alten Raketenoberstufen ist alles dabei. Zusammen ergibt das in etwa die Masse des Eiffelturms – in kleine Stücke zerhackt. Das mag nicht nach viel klingen, aber bei einer Geschwindigkeit von 8 km/s haben selbst kleine Schrottteile die Wucht einer Handgranate, sagt Holger Krag, Leiter des Büros für Space Debris, so der englische Begriff für Weltraumschrott, der europäischen Raumfahrtagentur ESA in Darmstadt.

 

Das GIF zeigt den Zusammenstoß zwischen einem alten Solarflügel und einem Satelliten.
Kollisionen mit Weltraumschrott zerstören Satelliten – und produzieren noch mehr kleinere Schrottteile. ©ESA

 

Zudem ist der Weltraumschrott nicht gleichmäßig verteilt: Die intensiv genutzten erdnahen Umlaufbahnen sind auch die mit der höchsten Schrottdichte. Hier, in 800-1000 Kilometern Höhe, umkreisen vor allem Kommunikations- und Erdbeobachtungssatelliten die Erde, darunter auch die Sentinel-Satelliten des Copernicus-Programms der Europäischen Kommission. Jedes Ausweichmanöver kostet Treibstoff und verkürzt die Lebensdauer der Satelliten, ein unglücklicher Treffer eines wenige Zentimeter großen Schrottteilchen kann ihre Funktion beeinträchtigen oder sie gar ganz zerstören.

So wurde zum Beispiel einer der Solarflügel des im Radarsatelliten Sentinel-1A zwei Jahre nach seinem Start im April 2014 von einem höchstens ein Zentimeter großen Debis-Stückchens dauerhaft beschädigt. Die bordeigene Kamera zeigt eine zerstörte Fläche mit einem Durchmesser von 40 Zentimetern.

 

Der Solarflügel des Copernicus-Satelliten Sentinel-1A vor und nach dem Aufschlag eines etwa fünf millimetergroßen Space Debris-Teilchens
Der Solarflügel des Copernicus-Satelliten Sentinel-1A vor und nach dem Aufschlag eines etwa fünf millimetergroßen Space-Debris-Teilchens. Glücklicherweise beeinträchtigt der Schaden die Funktion des Satelliten nicht. ©ESA

Auch kleinste Teilchen sind gefährlich

Die größte Sorge der Experten ist, dass durch Zusammenstöße immer mehr, immer kleinere Teilchen erzeugt und bestimmte Umlaufbahnen so unbenutzbar werden.  Die Raumfahrtnationen und -agenturen sind sich einig, dass die erdnahen Orbits aufgeräumt werden müssen. Die Frage ist nur, wie man das anstellt – und wer es bezahlt.

ESA und Europäische Kommission finanzieren seit Jahren Studien, in denen Aufräummethoden getestet werden. In Bremen gibt es Konzepte für ein Sammel-Raumschiff mit Roboter-Greifarm, dass ganze Satelliten bergen könnte. Eine weitere Idee nutzt bodengestützte Laser, die kleinere Debristeile aus ihren Orbits umlenken, damit sie schneller in der Atmosphäre verglühen. Dass Debris erfolgreich mit Harpunen oder Netzen gefangen werden kann, haben die Experimente der RemoveDEBRIS-Mission nun bewiesen. „So ließen sich wenigstens die großen Teile runterholen“, sagt Netz-Projektleiter Ingo Retat. „Ideal wäre, wenn wir auf jeder Umlaufbahn RemoveDebris-Satelliten platzieren könnten, die mit Netzen und Harpunen große Teile einfangen und abbremsen, dass sie schneller in die Atmosphäre sinken.“

Der leichte Cubesat wurde durch die vergrößerte Fläche schneller abgebremst, so dass er längst in der Atmosphäre verglüht ist. Der größere und schnellere RemoveDEBRIS-Testsatellit braucht etwas länger, aber auch er wird sehr bald verglüht sein.

Mit der Brems-Idee ist Ingo Retat nicht allein: Die ESA-Initiative Clean Space hat sich zum Ziel gesetzt, dass künftige Missionen „Debris-neutral“ sein sollen. Daher wird zum Beispiel auch in Friedrichshafen untersucht, ob kleine, schon vor dem Start eingebaute autonome Module einen bereits abgeschalteten Satelliten mithilfe eines ausfahrbaren Segels so abbremsen könnten, dass er seine Umlaufbahn verlässt und in die Erdatmosphäre absinkt. 

 

Die Grafik zeigt die Erdkugel und Weltraumschrottteile, die sie umkreisen.
Weltraumschrott oder Space Debris sind alle menschgemachten Objekte, die um die Erde kreisen, aber keine Funktion erfüllen. Die meisten sind nur wenige Millimeter groß: Trümmerteilchen, die bei Explosionen oder Kollisionen entstanden sind. ©Getty Images

Der meiste Weltraumschrott ist von der Erde aus nicht zu sehen

Aber um Weltraumschrott einzufangen oder optimale, möglichst debris-freie Umlaufbahnen für Satelliten zu planen, muss man genau wissen, was wo herumschwirrt. Laut Berechnung des ESA-Büros für Space Debris umkreisen derzeit rund 124 000 Debris-Stücke die Erde, die größer sind als ein Zentimeter. Knapp 130 Millionen kleiner als ein Millimeter, schätzt die ESA.

Doch genau weiß man es nicht. Zwar beobachtet das US Space Surveillance Network die nähere Erdumgebung mit Radaren und Teleskopen, doch offiziell erfasst, verfolgt und katalogisiert werden nur etwa 22.300 Teile, die größer sind als fünf Zentimeter. Alles was kleiner ist, sei von der Erde aus nicht zu sehen, sagt Debris-Experte Holger Krag. „Mit dem Risiko müssen wir leben.“

Das US-Militär teilt seine Beobachtungsdaten zwar mit anderen Nationen – täglich werden Kollisionswarnungen herausgegeben, damit die Satellitenbetreiber etwaige Ausweichmanöver planen können. Aber längst nicht alle Informationen sind frei zugänglich. Daher ist die ESA dabei, eigene Überwachungslösungen aufzubauen, um sich ein eigenständiges Bild von der Lage im All machen zu können.

Schrottbeobachtung mit Weltraumteleskopen

Gearbeitet wird an einer Kombination von boden- und weltraumgestützten Sensoren. In Friedrichshafen wurde dafür der Prototyp eines Weltraumteleskops (Space-Based Surveillance, SBSS) entwickelt, der von einem polaren, erdnahen Orbit aus bis zu einem Millimeter kleine Debristeilchen effizient erfassen und katalogisieren kann. „So kleine Teilchen produzieren nur ein schwaches Signal. Am besten sind sie zu sehen, wenn sie voll von der Sonne beleuchtet werden, Daher konzentriert sich das SBSS-Instrument auf diese Bereiche“, sagt Jens Utzmann., Projektleiter „Security in Space“ bei Airbus. Sogar im geostationären Orbit, knapp 36 000 Kilometer über der Erde, kann der Sensor Debristeile erkennen – die müssen dann allerdings größer als 40 Zentimeter sein. „Der Prototyp funktioniert“, sagt Utzmann. „Derzeit warten wir auf eine Entscheidung der ESA, ein Flugmodell zu bauen und in den Weltraum zu schicken, damit es Daten liefern kann.“

 

Die Grafik zeigt, dass der optische Weltraumteleskop Debristeile am besten in der Nähe des Erdschattens erfassen kann.
So funktioniert die Space-Debris-Beobachtung mit dem Weltraumteleskop aus Friedrichshafen. ©C3

 

Um diese Daten dann Satellitenbetreibern zur Verfügung stellen zu können, braucht man eine effiziente digitale Plattform. Hier könnte Asteria eine Lösung sein. Die in Bremen entwickelte Plattform arbeitet mit einer vereinfachten 3D-Darstellung der Orbits aktiver Satelliten und bekannten Space-Debris-Teilen. Entwickler Hauke Ernst, Projektleiter Space Situational Awareness (englisch für Weltraum-Lagebewusstsein) bei Airbus in Bremen, hofft, dass er bald auf europäische, oder besser gesagt deutsche, Daten zurückgreifen kann.

Noch in diesem Jahr soll GESTRA in Betrieb gehen. Das „German Experimental Space Surveillance and Tracking Radar“ wurde im Auftrag des Deutschen Instituts für Luft und Raumfahrt am Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik entwickelt. Es besteht aus einem Verbund elektronisch gesteuerter Gruppenantennen, sogenannter „Phased Arrays“, die riesige Bereiche des Himmels abscannen können. Ziel ist, einen eigenen Katalog von Space Debris im erdnahen Bereich zu erstellen.

Keine verantwortungsvolle Weltraummacht trägt freiwillig zur Entstehung von Weltraumschrott bei!

Matthias Maurer Astronaut

Müllvermeidung für ein sauberes Weltall

Über die wichtigsten Strategien zur Weltraummüllvermeidung ist man sich international einig.: Etwa, dass man Satellitentanks am Ende der Betriebszeit leeren sollte, damit sie nicht, explodieren. Auch sollten Satelliten sollen ihre Betriebsorbits nach Ende ihrer Lebenszeit verlassen können, um Platz zu machen für andere. Zerstören sollte man Raumfahrzeuge ebenfalls nicht. Als Indien Ende März einen eigenen Satelliten mit einer Abwehrrakete abschoss, war der internationale Aufschrei groß. Der Satellit zerbarst in mindestens 400 Teile. Einige gelangten in die Umlaufbahn der Internationalen Raumstation ISS. Die NASA verurteilte die Aktion als „furchtbar“ und der deutsche Astronaut Matthias Maurer kritisierte die Aktion heftig: „Einen Satelliten abzuschießen, um zu beweisen, dass man eine Weltraummacht ist, zeigt nur, dass man es nicht ist“, schrieb er auf Twitter. „Keine verantwortungsvolle Weltraummacht trägt freiwillig zur Entstehung von Weltraumschrott bei!“ Sämtliche Missionen mit deutscher Beteiligung erfüllen diese freiwilligen Vereinbarungen. Weltweit einheitliche Regelungen über die Nutzung des Weltraums gibt es noch nicht.

Neue Pläne der ESA zur Weltraumsicherheit

Im Rahmen des neuen ESA-Programms zur Weltraumsicherheit wird die ESA eine Reihe neuer und verbesserter Initiativen bei Space19+, der ESA-Ratstagung auf Ministerebene im November 2019, vorstellen. Geplant ist unter anderem ein automatisches Kollisionsvermeidungssystem – und der Start einer ersten richtigen Müllsammelmission ins All. Die deutschen Raumfahrtunternehmen könnten hier ganz vorn mit dabei sein. „Noch nie war es so dringend, das Problem Weltraummüll gemeinsam anzugehen“, sagt Holger Krag. „Das sind wir nicht nur uns selbst und unserer heutigen Gesellschaft schuldig, sondern auch den zukünftigen Generationen und der Gesellschaft, die wir uns für morgen wünschen.“