Weltraumschrott: Die wachsende Bedrohung und Technologien zur orbitalen Säuberung

Unsere Erforschung und Nutzung des Weltraums haben der Menschheit immense Vorteile gebracht, von globaler Kommunikation und Navigation bis hin zur Wettervorhersage und wissenschaftlichen Entdeckungen. Jahrzehntelange Weltraumaktivitäten haben jedoch auch zu einem wachsenden Problem geführt: Weltraumschrott, auch als orbitaler Schrott oder Weltraummüll bekannt. Dieser Schrott stellt eine erhebliche Bedrohung für betriebsfähige Satelliten, zukünftige Raumfahrtmissionen und die langfristige Nachhaltigkeit von Weltraumaktivitäten dar.

Was ist Weltraumschrott?

Weltraumschrott umfasst alle nicht-funktionsfähigen, von Menschen geschaffenen Objekte im Orbit um die Erde. Dazu gehören:

• Ausgediente Satelliten: Satelliten, die das Ende ihrer Lebensdauer erreicht haben, aber im Orbit verbleiben.
• Raketenstufen: Oberstufen von Raketen, die Satelliten in den Orbit gebracht haben.
• Fragmentationsschrott: Teile von Satelliten und Raketen, die durch Explosionen, Kollisionen oder Materialermüdung zerbrochen sind.
• Missionsbedingter Schrott: Objekte, die während der Satellitenaussetzung oder des Missionsbetriebs freigesetzt wurden, wie Linsenkappen oder Adapterringe.
• Kleinschrott: Selbst winzige Objekte wie Farbsplitter oder Feststoffraketenschlacke können aufgrund ihrer hohen Geschwindigkeit erheblichen Schaden anrichten.

Das United States Space Surveillance Network (SSN) verfolgt Objekte, die größer als 10 cm in der niedrigen Erdumlaufbahn (LEO) und größer als 1 Meter in der geostationären Umlaufbahn (GEO) sind. Es gibt jedoch Millionen kleinerer Schrottteile, die zu klein sind, um verfolgt zu werden, aber dennoch eine Bedrohung darstellen.

Die Gefahren von Weltraumschrott

Die Gefahren, die von Weltraumschrott ausgehen, sind vielschichtig:

Kollisionsrisiko

Selbst kleine Schrottteile können aufgrund der hohen Geschwindigkeiten, mit denen sie sich im Orbit bewegen (typischerweise etwa 7-8 km/s im LEO), erheblichen Schaden an betriebsfähigen Satelliten verursachen. Eine Kollision selbst mit einem kleinen Objekt kann einen Satelliten außer Gefecht setzen oder zerstören, was zum Verlust wertvoller Dienste und zur Entstehung von noch mehr Schrott führt.

Beispiel: Im Jahr 2009 kollidierte ein ausgedienter russischer Satellit, Kosmos 2251, mit einem operativen Iridium-Kommunikationssatelliten und erzeugte Tausende neuer Schrottteile.

Kessler-Syndrom

Das Kessler-Syndrom, vorgeschlagen vom NASA-Wissenschaftler Donald Kessler, beschreibt ein Szenario, bei dem die Dichte von Objekten im LEO so hoch ist, dass Kollisionen zwischen Objekten einen Kaskadeneffekt auslösen könnten, der noch mehr Schrott erzeugt und Weltraumaktivitäten zunehmend gefährlich und unpraktikabel macht. Dieser unkontrollierbare Prozess könnte bestimmte Orbitalregionen für Generationen unbrauchbar machen.

Erhöhte Missionskosten

Satellitenbetreiber müssen Ressourcen für die Verfolgung von Schrott, die Durchführung von Kollisionsvermeidungsmanövern und die Härtung von Satelliten gegen Einschläge aufwenden. Diese Aktivitäten erhöhen die Missionskosten und die Komplexität.

Gefahr für die bemannte Raumfahrt

Weltraumschrott stellt eine direkte Bedrohung für die bemannte Raumfahrt dar, einschließlich der Internationalen Raumstation (ISS). Die ISS verfügt über eine Abschirmung zum Schutz vor kleinem Schrott, aber größere Objekte erfordern, dass die Station Ausweichmanöver durchführt.

Aktueller Zustand des Weltraumschrotts

Die Menge an Weltraumschrott hat in den letzten Jahrzehnten stetig zugenommen. Laut der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) gibt es Stand 2023:

• Rund 36.500 Objekte größer als 10 cm, die verfolgt werden.
• Geschätzte 1 Million Objekte zwischen 1 cm und 10 cm.
• Über 130 Millionen Objekte kleiner als 1 cm.

Der Großteil des Schrotts konzentriert sich im LEO, der auch die am stärksten genutzte Orbitalregion für Erdbeobachtung, Kommunikation und wissenschaftliche Forschung ist.

Technologien zur orbitalen Säuberung: Das Problem angehen

Die Bewältigung des Weltraumschrottproblems erfordert einen vielschichtigen Ansatz, der Schrottvermeidung, Weltraum-Lageerfassung (SSA) und aktive Schrottbeseitigung (ADR) umfasst. Die Schrottvermeidung konzentriert sich darauf, die Entstehung neuen Schrotts zu verhindern, während SSA die Verfolgung und Überwachung von vorhandenem Schrott beinhaltet. ADR, der Schwerpunkt dieses Blogbeitrags, befasst sich mit der aktiven Entfernung von Schrott aus dem Orbit.

Zahlreiche innovative Technologien werden für ADR entwickelt und getestet. Diese Technologien lassen sich grob in folgende Kategorien einteilen:

Einfangmethoden

Einfangmethoden werden verwendet, um ein Schrottteil physisch zu greifen oder festzuhalten, bevor es deorbitiert oder in einen sichereren Orbit bewegt werden kann. Mehrere Ansätze werden erforscht:

• Roboterarme: Dies sind vielseitige Werkzeuge, die zum Greifen und Manipulieren von Schrott verwendet werden können. Sie sind oft mit spezialisierten Endeffektoren (Greifern) ausgestattet, um verschiedene Arten von Objekten sicher zu halten.
• Netze: Große Netze können eingesetzt werden, um Schrottobjekte einzufangen, insbesondere solche, die taumeln oder unregelmäßig geformt sind. Nach dem Einfangen können Netz und Schrott gemeinsam deorbitiert werden.
• Harpunen: Harpunen werden verwendet, um Schrottobjekte zu durchdringen und zu sichern. Diese Methode eignet sich zum Einfangen fester Objekte, ist aber möglicherweise nicht für zerbrechliche oder beschädigte Gegenstände geeignet.
• Tether (Fangleinen): Elektrodynamische Tether können verwendet werden, um Schrott mithilfe des Erdmagnetfelds aus dem Orbit zu ziehen. Sie sind effektiv für die Deorbitierung großer Objekte, erfordern aber eine sorgfältige Steuerung.
• Schaum- oder Aerogel-Einfang: Verwendung einer Wolke aus klebrigem Schaum oder Aerogel, um Schrott zu umhüllen und einzufangen. Dieser Ansatz befindet sich noch in einem frühen Entwicklungsstadium.

Methoden zur Deorbitierung

Sobald ein Schrottteil eingefangen wurde, muss es deorbitiert werden, das heißt, es muss zurück in die Erdatmosphäre gebracht werden, wo es verglüht. Für die Deorbitierung werden mehrere Methoden verwendet:

• Direkte Deorbitierung: Verwendung von Triebwerken, um den Orbit des Schrotts direkt abzusenken, bis er wieder in die Atmosphäre eintritt. Dies ist die einfachste Methode, erfordert aber eine erhebliche Menge an Treibstoff.
• Verstärkung des atmosphärischen Widerstands: Einsatz eines großen Bremsegels oder Ballons, um die Oberfläche des Schrotts zu vergrößern, wodurch der atmosphärische Widerstand erhöht und sein Wiedereintritt beschleunigt wird.
• Elektrodynamische Tether: Wie oben erwähnt, können Tether auch zur Deorbitierung verwendet werden, indem sie durch Interaktion mit dem Erdmagnetfeld eine Bremskraft erzeugen.

Methoden ohne Einfangen

Einige ADR-Technologien beinhalten kein physisches Einfangen des Schrotts. Diese Methoden bieten potenzielle Vorteile in Bezug auf Einfachheit und Skalierbarkeit:

• Laserablation: Verwendung von Hochleistungslasern, um die Oberfläche von Schrottobjekten zu verdampfen, wodurch ein Schub erzeugt wird, der ihren Orbit allmählich absenkt.
• Ionenstrahl-Shepherd: Verwendung eines Ionenstrahls, um Schrottobjekte von betriebsfähigen Satelliten wegzustoßen oder in niedrigere Orbits zu befördern. Diese Methode ist kontaktlos und vermeidet das Risiko einer Kollision beim Einfangen.

Beispiele für orbitale Säuberungsmissionen und Technologien

Mehrere Missionen und Technologien wurden entwickelt, um die Machbarkeit von ADR zu demonstrieren:

• RemoveDEBRIS (Europäische Weltraumorganisation): Diese Mission demonstrierte mehrere ADR-Technologien, darunter ein Netz, eine Harpune und ein Bremsegel. Sie hat erfolgreich ein simuliertes Schrottobjekt mit einem Netz eingefangen und ein Bremsegel eingesetzt, um ihre eigene Deorbitierung zu beschleunigen.
• ELSA-d (Astroscale): Diese Mission demonstrierte die Fähigkeit, ein simuliertes Schrottobjekt mit einem magnetischen Andocksystem einzufangen und zu deorbitieren. Sie umfasste ein Servicer-Raumfahrzeug und ein Client-Raumfahrzeug, das den Schrott darstellte.
• ClearSpace-1 (Europäische Weltraumorganisation): Diese Mission, deren Start für 2026 geplant ist, zielt darauf ab, eine Vespa-Oberstufe (Vega Secondary Payload Adapter), ein nach einem Vega-Raketenstart im Orbit verbliebenes Schrottteil, einzufangen und zu deorbitieren. Sie wird einen Roboterarm verwenden, um die Vespa einzufangen.
• ADRAS-J (Astroscale): Die ADRAS-J-Mission ist darauf ausgelegt, sich einem bestehenden großen Schrottteil (einer japanischen Raketenoberstufe) anzunähern, um dessen Zustand und Bewegung zu charakterisieren. Diese Daten werden für die Planung zukünftiger Beseitigungsmissionen entscheidend sein.
• e.Deorbit (Europäische Weltraumorganisation - vorgeschlagen): Eine geplante Mission zum Einfangen und Deorbitieren eines großen ausgedienten Satelliten mit einem Roboterarm. Die Mission soll die technische Machbarkeit der Beseitigung großer, komplexer Schrottobjekte demonstrieren.

Herausforderungen und Überlegungen

Trotz der Fortschritte in der ADR-Technologie bleiben mehrere Herausforderungen und Überlegungen bestehen:

Kosten

ADR-Missionen sind in der Entwicklung und Durchführung teuer. Die Kosten für den Start eines Raumfahrzeugs und die Durchführung komplexer Manöver im Orbit können erheblich sein. Die Entwicklung kostengünstiger ADR-Lösungen ist entscheidend, um die Schrottbeseitigung wirtschaftlich tragfähig zu machen.

Technologieentwicklung

Viele ADR-Technologien befinden sich noch in einem frühen Entwicklungsstadium und erfordern weitere Tests und Verfeinerungen. Die Entwicklung zuverlässiger und effizienter Einfang- und Deorbitierungsmethoden ist für den Erfolg von ADR-Missionen unerlässlich.

Rechtlicher und regulatorischer Rahmen

Der rechtliche und regulatorische Rahmen für ADR entwickelt sich noch. Es gibt Fragen zur Haftung für Schäden, die bei der Schrottbeseitigung entstehen, zum Eigentum an entferntem Schrott und zum potenziellen Missbrauch von ADR-Technologie für offensive Zwecke. Internationale Zusammenarbeit und die Schaffung klarer rechtlicher Richtlinien sind notwendig, um verantwortungsvolle und nachhaltige ADR-Aktivitäten zu gewährleisten.

Zielauswahl

Die Auswahl der richtigen Schrottobjekte zur Beseitigung ist entscheidend, um die Wirksamkeit der ADR-Bemühungen zu maximieren. Die Priorisierung der Entfernung großer, risikoreicher Objekte, die die größte Bedrohung für betriebsfähige Satelliten darstellen, ist unerlässlich. Faktoren wie Größe, Masse, Höhe und Fragmentationspotenzial des Objekts sollten berücksichtigt werden.

Politische und ethische Überlegungen

ADR wirft politische und ethische Überlegungen auf, wie etwa das Potenzial, dass ADR-Technologie für militärische Zwecke missbraucht oder um die Satelliten anderer Nationen unfair ins Visier zu nehmen. Internationale Transparenz und Zusammenarbeit sind entscheidend, um diese Bedenken auszuräumen und sicherzustellen, dass ADR zum Nutzen aller eingesetzt wird.

Internationale Bemühungen und Zusammenarbeit

In Anerkennung der globalen Natur des Weltraumschrottproblems arbeiten zahlreiche internationale Organisationen und Initiativen an der Bewältigung des Problems:

• Ausschuss der Vereinten Nationen für die friedliche Nutzung des Weltraums (UN COPUOS): Dieser Ausschuss bietet ein Forum für die internationale Zusammenarbeit bei weltraumbezogenen Themen, einschließlich der Vermeidung von Weltraumschrott. Er hat Richtlinien zur Vermeidung von Weltraumschrott entwickelt, die von den raumfahrenden Nationen weithin übernommen werden.
• Inter-Agency Space Debris Coordination Committee (IADC): Dieser Ausschuss ist ein Forum für Raumfahrtagenturen zum Informationsaustausch und zur Koordinierung von Aktivitäten im Zusammenhang mit Weltraumschrott. Er entwickelt Konsensrichtlinien zur Vermeidung von Weltraumschrott und fördert die Forschung zu ADR-Technologien.
• Space Sustainability Rating (SSR): Eine Initiative unter der Leitung des Weltwirtschaftsforums zur Förderung nachhaltiger Praktiken im Weltraum. Das SSR bewertet die Nachhaltigkeit von Weltraummissionen anhand von Faktoren wie Schrottvermeidungsmaßnahmen und Kollisionsvermeidungskapazitäten.

Diese internationalen Bemühungen sind unerlässlich, um die Zusammenarbeit zu fördern, bewährte Verfahren auszutauschen und gemeinsame Ansätze zur Bewältigung des Weltraumschrottproblems zu entwickeln.

Die Zukunft der orbitalen Säuberung

Die Zukunft der orbitalen Säuberung wird wahrscheinlich eine Kombination aus technologischen Fortschritten, politischen Änderungen und internationaler Zusammenarbeit beinhalten. Wichtige Trends und Entwicklungen, die zu beobachten sind, umfassen:

• Fortschritte in der ADR-Technologie: Fortgesetzte Forschung und Entwicklung effizienterer und kostengünstigerer ADR-Technologien wie Roboterarme, Netze und Laserablation.
• Entwicklung von In-Orbit-Servicing-Fähigkeiten: Die Entwicklung von Raumfahrzeugen, die In-Orbit-Dienstleistungen wie Betankung, Reparatur und Verlagerung von Satelliten durchführen können. Diese Fähigkeiten könnten auch zur Schrottbeseitigung genutzt werden.
• Umsetzung strengerer Maßnahmen zur Schrottvermeidung: Die Annahme strengerer Maßnahmen zur Schrottvermeidung durch raumfahrende Nationen und Organisationen, einschließlich Anforderungen an die Deorbitierung am Ende der Lebensdauer und die Passivierung von Satelliten.
• Erhöhte Weltraum-Lageerfassung: Verbesserte Verfolgung und Überwachung von Weltraumschrott, um Kollisionsrisiken besser einschätzen und Ausweichmanöver planen zu können.
• Schaffung eines umfassenden rechtlichen und regulatorischen Rahmens: Die Entwicklung klarer rechtlicher Richtlinien für ADR-Aktivitäten, die Themen wie Haftung, Eigentum und die Nutzung von ADR-Technologie für militärische Zwecke behandeln.

Die Bewältigung des Weltraumschrottproblems ist entscheidend, um die langfristige Nachhaltigkeit von Weltraumaktivitäten zu sichern und die Vorteile zu erhalten, die die Weltraumforschung und -nutzung der Menschheit bieten. Indem wir in ADR-Technologie investieren, strengere Maßnahmen zur Schrottvermeidung umsetzen und die internationale Zusammenarbeit fördern, können wir eine sicherere und nachhaltigere Weltraumumgebung für zukünftige Generationen schaffen.

Fazit

Weltraumschrott ist eine wachsende Bedrohung für unsere Weltrauminfrastruktur und die Zukunft der Weltraumforschung. Die Entwicklung von Technologien zur orbitalen Säuberung ist unerlässlich, um dieses Risiko zu mindern. Obwohl erhebliche Herausforderungen bestehen bleiben, bieten laufende Forschung, internationale Zusammenarbeit und politische Fortschritte Hoffnung auf eine sauberere und sicherere orbitale Umgebung. Das Engagement von Regierungen, Raumfahrtagenturen und privaten Unternehmen weltweit ist entscheidend, um die langfristige Nachhaltigkeit von Weltraumaktivitäten und die fortwährenden Vorteile, die der Weltraum der Menschheit bietet, zu gewährleisten.