Space junk: have we averted crisis?

Seit den 1950er Jahren schickt der Mensch Sonden und Satelliten ins All. Aber wir haben auch viel Müll hinterlassen.

Neben betriebsbereiten Satelliten gibt es Millionen von Weltraumschrott, der aus nicht mehr existierenden, von Menschenhand geschaffenen Objekten besteht, hauptsächlich in der niedrigen Erdumlaufbahn (LEO). Dies umfasst zwar größere Gegenstände wie ausrangierte Raketenstufen, zerbrochene Raumfahrzeuge und verschiedene Metall- und Kunststoffteile, aber auch viel kleinere Gegenstände wie Farbflecken, die von Raumschiffen gefallen sind. Ein Teil dieser Abfälle wurde in den 60er und 70er Jahren sogar auf dem Mond zurückgelassen, Fragmente von Weltraummissionen vor Jahrzehnten.

Dieser Müll umkreist die Erde mit einer Geschwindigkeit von Zehntausenden von Kilometern pro Stunde. Dies stellt ein enormes Risiko für wichtige Satelliten dar, die wichtige Dienste wie GPS und Wetterwarnungen bereitstellen, und selbst kleine Schrottstücke reisen mit einer Geschwindigkeit von acht Kilometern pro Sekunde im Orbit, was bedeutet, dass jede Kollision viel Schaden anrichten kann. Ein Absturz zwischen zwei größeren Müllstücken kann sogar katastrophale Folgen haben.

Ein apokalyptisches Szenario.

Stellen Sie sich zwei alte Satelliten vor. Jeder nur etwas größer als 10 cm (4 Zoll) im Durchmesser. Sie kollidieren und zerfallen dabei vollständig, wodurch zwei sich ständig ausbreitende Fragmentwolken entstehen, die sich mit der gleichen Geschwindigkeit und Flugbahn wie die Satelliten bewegen.

Nach kurzer Zeit trifft eine dieser Wolken auf eine andere Weltraumhardware und reißt sie auseinander, wodurch sich die Anzahl der im Umlauf befindlichen Fragmente verdoppelt. Der Vorgang wird erneut ausgeführt und ein anderes Objekt wird beeinflusst. Dann wieder. Und wieder. Währenddessen nimmt das Tempo zu.

Eine Kollision verwandelt sich in eine sich ausdehnende Lawine, eine Kaskade der Zerstörung, bevor sich die gesamte Umlaufbahn in ein Feld von Fragmenten verwandelt, die sich alle mit unglaublicher Geschwindigkeit bewegen. Der LEO wird zu einer undurchdringlichen Barriere, und kein Satellit, kein Raumfahrzeug oder keine Raumstation kann dort überleben. Die Erforschung des Weltraums wäre unter solchen Bedingungen unmöglich. Satellitenkommunikation, GPS-Navigation, Kartierung und Wettervorhersage gehören der Vergangenheit an. Die Menschheit muss Jahrhunderte warten, bis das Trümmerfeld aufgrund natürlicher Ursachen aus der Umlaufbahn verschwindet. Erst dann werden wir versuchen können, wieder in den Weltraum zu gelangen.

Dieses apokalyptische Szenario wurde erstmals in den 1970er Jahren von Donald Kessler vorgestellt, einem amerikanischen Astrophysiker und ehemaligen NASA-Wissenschaftler, der für seine Studien über Weltraummüll bekannt ist. Diese theoretische Szene wurde als Kessler-Syndrom bezeichnet, manchmal auch als Kessler-Effekt, Kollisionskaskade oder Ablationskaskade bezeichnet. Es erregte öffentliche Aufmerksamkeit, als es als Handlungsinstrument in mehreren prominenten Fiktionsstücken verwendet wurde, vor allem im Film Gravity (2013), der dem Schicksal zweier Astronauten folgte, die nach den Folgen des Kessler-Effekts zusammenarbeiten müssen, um zu überleben sie sind im Weltraum gestrandet.

Die Aussicht, fast dauerhaft vom Weltraum abgeschnitten zu sein, hat mehrere Projekte in Gang gesetzt, deren Zahl in den letzten zehn Jahren stetig zugenommen hat. Tausende von Wissenschaftlern begannen, nach Lösungen für das Weltraummüllproblem zu suchen, und es wurde immer mehr Zeit und Mühe darauf verwendet, es zu verhindern.

Die NASA führt das Orbital Debris Program seit 1979 durch, und 1986 wurde die Space Debris Working Group der European Space Agency (ESA) gegründet, die sich später zum Space Debris Office entwickelte. 1991 wurde das Inter-Agency Space Debris Coordination Committee (IADC) gegründet Gegründet. Später kamen alle großen Weltraumbehörden hinzu, darunter die China National Space Administration (CNSA) und Russlands ROSCOSMOS.

1993 zog die erste ESA-Konferenz zu Weltraummüll ein paar Dutzend Forscher aus mehreren Ländern an. Im April 2021 hatte die 8. Ausgabe der Konferenz über 530 registrierte Teilnehmer, viele von ihnen Profis, die ihre gesamte Karriere dem Problem des Weltraummülls gewidmet haben. Dies ist nur ein Beispiel dafür, wie sich die Dinge verändert haben. Weltweit gibt es mittlerweile Arbeitsgruppen, Initiativen, internationale Kommunikationskanäle und wissenschaftliche Zeitschriften, die sich ganz dem Thema widmen.

Die meisten frühen Dokumentationen, die über Weltraumschrott erstellt wurden, können am besten als Plädoyer zur Beendigung der Untätigkeit angesehen werden. Dieses Gefühl gehört jedoch eindeutig der Vergangenheit an. Mittlerweile arbeiten Tausende von Menschen daran, die Probleme zu bekämpfen.

Haben diese Bemühungen also zu greifbaren Ergebnissen geführt?

Harpunen und Laser

Ähnlich wie beim Abfallproblem hier auf der Erde werden mehrere Methoden vorgeschlagen, um mit dem Problem des Weltraummülls umzugehen. Die am dramatischsten klingenden Lösungen sind jedoch keineswegs die effektivsten.

Eine potenzielle LEO-Säuberung erinnert an Jägersatelliten, die Netze oder Harpunen auswerfen, um Schutt und Orbit zu fangen. Getestet wurden mehrere Geräte dieser Art, zuletzt das des britischen Unternehmens Astroscale, das Anfang Mai 2021 auf den Markt kam.

In den meisten Fällen kosten solche Missionen Millionen von Dollar und können nur ein großes Trümmerstück entfernen. Es ist nicht gerade ein nachhaltiges Unterfangen. Natürlich sind dies nur die ersten Schritte, um die Möglichkeit einer ebenso schwierigen wie gefährlichen Mission aufzuzeigen. Aber selbst wenn solche Aufräumarbeiten in Zukunft billiger werden, werden sie nicht die einzige Möglichkeit sein, das Kessler-Syndrom zu vermeiden.

Eine billigere und effizientere Methode wären Laser, die am Boden oder auf einem Satelliten montiert werden könnten. Ein fokussierter Strahl würde eine Seite eines Trümmerstücks erhitzen und genug Kraft erzeugen, um es anzutreiben. Diese Methode wäre am effektivsten, wenn sie verwendet wird, um Schmutz zwischen einem Zentimeter und zehn Zentimetern Durchmesser zu entfernen. Der „Laserbesenstiel“ ist einer der ernsthaftesten und am meisten diskutierten Vorschläge in der Wissenschaftlergemeinschaft.

Aber es bringt seine eigenen Probleme mit sich. Ein leistungsstarker Laser, der Satelliten abschießen kann, kommt der internationalen Gemeinschaft nicht gerade gut an. Im Wesentlichen bedeutet es, mächtige Anti-Satelliten-Waffen einzusetzen und wirft Fragen nach Verantwortung und Kontrolle auf. In den 1990er Jahren baute die United States Air Force (USAF) im Rahmen des Projekts Orion fast ein ähnliches Gerät, das jedoch aufgrund der Kontroverse aufgegeben wurde.

Ein Laser zum Reinigen von Müll wäre auch ziemlich teuer und mit der heutigen Technologie schwer zu bedienen. Aber es ist unbestreitbar bequemer, als Einweg-Sauberer-Satelliten zu schicken, was bedeutet, dass ein solches Projekt eines Tages wahrscheinlich abgeschlossen sein wird. Dieser Tag liegt jedoch wahrscheinlich noch in weiter Ferne.

Schadensbegrenzung

Keine einzige Methode zur aktiven Entfernung von Weltraummüll ist ideal. Prävention ist wie vieles andere viel effektiver, weshalb der Großteil der wissenschaftlichen Bemühungen auf die Eindämmung von Weltraummüll ausgerichtet ist.

Grundsätzlich müssen wir so wenig Weltraummüll wie möglich erzeugen. Dazu gehören die Deorbitierung verbrauchter Raketenstufen unmittelbar nach der Lieferung und der Satelliten, sobald sie ablaufen, das Entleeren von Brennstoffzellen und Batterien, um ungewollte Explosionen zu verhindern, die Trümmer erzeugen, und sicherzustellen, dass neue Satelliten widerstandsfähiger gegen Aufprallschäden sind, so dass auch im Falle eines eine Kollision mit einem kleineren Stück Müll, eine Explosion von Fragmenten wird nicht in den Weltraum geschickt.

Die Begrenzung der orbitalen Lebensdauer eines Satelliten ist ein kompliziertes Thema, das präzise und ressourcenintensive technische Anstrengungen erfordert. Ein Satellit muss im Orbit eingesetzt werden, wo die Atmosphäre ihn gerade so weit zieht, dass er nach dem Verfallsdatum herunterfällt. Dies wollen jedoch nicht alle Satellitenhersteller und -betreiber und vieles hängt von deren Einhaltung ab.

Die Katalogisierung vorhandener Trümmer ist ein weiteres großes Problem. Der meiste Weltraummüll ist klein und es ist schwierig, ihn zu entdecken. Noch wichtiger ist es, seine genaue Umlaufbahn zu bestimmen. Es werden riesige Radare und Teleskope verwendet, von denen viele speziell für diesen Zweck bestimmt sind. Es ist unmöglich, die Kosten und den Umfang dieser Bemühungen und das erforderliche Maß an internationaler Koordination zu überschätzen. Aber ohne sie wären Weltraumoperationen nicht möglich. Die Vermeidung von Trümmern, basierend auf riesigen Datenmengen, die durch Katalogisierungsbemühungen generiert wurden, ist ein Standardverfahren für jeden Satelliten. Seine erfolgreiche Implementierung ermöglicht es den Satelliten, zu funktionieren, aber auch die Entstehung von weiteren Trümmern zu vermeiden.

Der aktuelle Stand der Dinge

Im Jahr 2013 wurde von mehreren Wissenschaftlern der französischen Weltraumbehörde ein Überblick über den Fortschritt der aktiven Trümmerbeseitigung veröffentlicht. Es begann mit einer ziemlich erschreckenden Aussage: „Nach allen verfügbaren Erkenntnissen auf internationaler Ebene scheint das Kessler-Syndrom, eine Zunahme der Anzahl von Weltraummüll in niedrigen Erdumlaufbahnen durch gegenseitige Kollisionen, nun eine Tatsache zu sein.“

Es ist offensichtlich, dass die Entstehung neuer Trümmer mit alarmierender Geschwindigkeit zunimmt. Zwischen 2007 und 2009 und nach mehreren Anti-Satelliten-Tests und Kollisionen hat sich die Zahl fast verdoppelt. Die NASA stufte den Staat als „kritisch“ ein. Es gab nicht nur genug Müll, um die Orbit-Wisch-Kaskade zu starten, sondern die Kaskade schien bereits zu geschehen.

Seitdem ist die Anzahl der Objekte in LEO nach Angaben der NASA ungefähr gleich geblieben. Allerdings nahm die Zahl der Satelliten um fast ein Viertel zu und die Trümmer sanken um fast die gleiche Menge.

Der Mitte 2020 veröffentlichte jährliche Weltraumumweltbericht der ESA kommt zu dem Schluss, dass fast 90 % der Kleinsatelliten, die im letzten Jahrzehnt in den LEO gestartet wurden, die Maßnahmen zur Eindämmung von Trümmern einhalten. So können sie Kollisionen erfolgreich vermeiden und bei Bedarf die Umlaufbahn verlassen. Obwohl nicht alle orbitalen Nutzlasten gemäß den Richtlinien zur Trümmereindämmung gestartet wurden, gelang es einer zunehmenden Zahl ihrer Betreiber – über 60 % im Jahr 2019 –, diese Richtlinien auch nachträglich umzusetzen.

Die eingeleiteten Maßnahmen zur Schadensbegrenzung (trotz der geringen Anzahl von Starts, die nicht den Richtlinien folgten) waren eindeutig erfolgreich. Die Katalogisierung von Trümmern, die Vermeidung weiterer Kollisionen und die Überzeugung der Satellitenbetreiber, sich an Regeln zu halten, die die Entstehung weiterer Trümmer verhindern, haben alle einen großen Unterschied gemacht. Es scheint, dass die internationale Gemeinschaft das Kessler-Syndrom stoppen konnte.

Was hält die Zukunft bereit?

Dies bedeutet natürlich nicht, dass die Bedrohung erloschen ist. Da die Gesamtzahl der Objekte in LEO nicht abgenommen hat, bleiben wir nur noch eine katastrophale Kollision vom gefürchteten Szenario entfernt.

Als vor einigen Jahren mehrere prominente Unternehmen ihre Pläne zum Start sogenannter Megakonstellationen von Satelliten ankündigten, darunter OneWeb und SpaceX, war die Sorge groß, dass wir wieder auf den Punkt eins zurückkehren würden. Hätten sich diese Konstellationen nicht an die Maßnahmen zur Eindämmung von Trümmern gehalten, wäre das apokalyptische Szenario fast sofort eingetreten.

Aber die Folgen der Untätigkeit würden die Konstellationsoperatoren spüren.

Stijn Lemmens, Senior Space Debris Mitigation Analyst beim ESA Space Debris Office, sagte gegenüber AeroTime: „Einige große Konstellationsbetreiber sind in der Weltraummüll-Community aktiv und sind sich des potenziellen Weltraumumweltproblems, das ein Missmanagement auslösen könnte, sehr bewusst.“

Er fuhr fort: „Die Gegenmaßnahmen werden verstanden und international kommuniziert, da selbst der Betrieb großer Konstellationen nachhaltig erfolgen kann, wenn sie unter Berücksichtigung der Trümmerumgebung und anderer Betreiber konzipiert und umgesetzt werden.“

Eine spezielle IADC-Erklärung zu großen Satellitenkonstellationen in LEO macht deutlich, dass Betreiber von Megakonstellationen viel eifriger bei der Einhaltung internationaler Richtlinien sein sollten als beispielsweise Betreiber regulärer Satelliten. Und genau das, so scheint es, geschieht.

SpaceX hat zugestimmt, seine Konstellation in geringerer Höhe zu betreiben, was dazu führen würde, dass ein ausgefallener Satellit innerhalb von fünf Jahren die Umlaufbahn verlässt. Die Satelliten von OneWeb werden angeblich nicht länger als ein Jahr brauchen, um dasselbe zu tun.

Diese Versprechen wurden von der internationalen Gemeinschaft zu Recht mit Skepsis aufgenommen. Es gibt wenig Spielraum für Fehler, wenn es um die Möglichkeit des Kessler-Effekts geht. Aber es ist schwer, die Fortschritte, die Koordination und die Zusammenarbeit zu leugnen, die in den letzten Jahrzehnten stattgefunden haben.

Und wann, wenn überhaupt, hatte die Menschheit die Chance, sich damit zu rühmen, etwas so potenziell Katastrophales zu verhindern?

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