Forscher des Instituts für Weltraumforschung (IWF) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) messen an der Laserstation Graz Lustbühel mittels Laserstrahlen die Entfernung zu Satelliten. Mit einer Genauigkeit von wenigen Millimetern ist Graz dabei seit Jahren eine der weltweit präzisesten Stationen. Ein Thema, das den Wissenschaftern ganz besonders am Herzen liegt, ist der Weltraumschrott. Auf diesem Forschungsgebiet hat das IWF eine internationale Führungsposition eingenommen.

"Müllberge" im All

Die von der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) veröffentlichten Zahlen zeichnen ein eindeutiges Bild: Seit dem Start des ersten Satelliten Sputnik 1 im Jahre 1957 hat es die Menschheit geschafft, das Weltall nachhaltig zu verschmutzen. Etwa 2.000 aktiven und 3.000 inaktiven Satelliten steht eine riesige Anzahl von Weltraumschrott-Teilen (space debris) gegenüber: 34.000 Objekte mit einem Durchmesser größer als zehn Zentimeter, geschätzte 900.000 Objekte zwischen einem und zehn Zentimeter und mehr als 100 Millionen Objekte zwischen einem und 10 Millimeter umkreisen unseren Planeten.

SpaceX-Lichterkette

Die Sonnenreflexionen größerer Objekte und Satelliten sind mit bloßem Auge am Nachthimmel erkennbar. Sie bewegen sich vor dem Fixsternhimmel und sind je nach Entfernung des Satelliten und Standort mehrere Minuten beobachtbar. Ein erster Vorbote des Anblicks unseres zukünftigen Nachthimmels wurde im Mai 2019 von einem Amateurastronomen aus den Niederlanden festgehalten. Nach dem Start der ersten 60 von insgesamt fast 12.000 Starlink-Satelliten des amerikanischen Unternehmens SpaceX, filmte Marco Langbroek die eng beieinander fliegende Lichterkette.

Kollisionen im All

Satellitenteile und Weltraumschrott kreisen in einem Abstand von wenigen 100 Kilometern bis zu mehr als 35.000 Kilometern in verschiedenen Bahnen um unsere Erde und erreichen dabei Geschwindigkeiten von fast acht km/s (circa 28.000 km/h) – unabhängig von deren Größe. Nur etwa 23.000 dieser Objekte können mit Radartechnik regelmäßig überwacht werden, wodurch die Bewegung des Satelliten um unseren Planeten – also ihr Orbit – mit einer Genauigkeit von wenigen Kilometern vorhergesagt werden kann.

Selbst kleine Objekte können im Fall einer Kollision mit einem anderen Satelliten einen gehörigen Schaden anrichten. Im August 2016 traf ein Weltraumschrottteilchen mit einer Größe von nur wenigen Millimetern eine Solarzelle des Radarsatelliten Sentinel-1A und hinterließ einen Einschlagkrater von ungefähr 40 Zentimeter.

2009 ereignete sich eine Kollision zwischen zwei Kommunikationssatelliten (Iridium 33 und Kosmos 2251), die in einer Wolke von 100.000 Bruchstücken resultierte.

Alles dreht sich um die Orbithöhe

Die internationale Raumstation muss mehrmals im Jahr Ausweichmanöver starten, um eine Kollision mit größerem Weltraumschrott zu vermeiden. Zusätzlich zu diesen Kollisionen hält sich die – militärisch motivierte – Vernunft der Menschheit ebenfalls in Grenzen. China schoss 2007 einen eigenen Wettersatelliten (Fengyun-1C, 800 Kilometer Höhe) mit einer Mittelstreckenrakete ab, wobei aus den beiden Objekten eine Wolke von circa 40.000 Einzelteilen entstand. Im April 2019 machte es Indien China nach und zerstörte einen Satelliten in 300 Kilometer Orbithöhe.

Die Orbithöhe ist beim Thema Weltraumschrott ein zentrales Thema. Dinge, die sich einmal in einem Orbit um unsere Erde befinden, bleiben auch dort – und zwar lange. Der wichtigste Faktor, der Objekte zum Wiedereintritt bringt, ist die atmosphärische Reibung unserer Erdatmosphäre. Die Dichte unserer Atmosphäre sinkt aber naturgemäß stark mit zunehmender Höhe. Durch Reibung verliert der Satellit Gesamtenergie, senkt seine Bahn ab, gewinnt dabei aber trotzdem an Geschwindigkeit (Orbit-Paradoxon). Je nach Orbithöhe steigt die Verweildauer eines Objekts von einigen Jahren (Orbithöhe 500 Kilometer) bis zu einigen 1.000 Jahren (Orbithöhe 1.000 Kilometer).  Das Problem Weltraumschrott wird sich also – ohne unser Zutun – kurzfristig für die Menschheit nicht lösen. In Anbetracht der drastisch steigenden Zahl an Satelliten kommt der Vermeidung von Kollisionen von Satelliten mit Weltraumschrott und der Eindämmung der Entstehung von neuem Schrott eine zentrale Bedeutung zu. Neu gestartete Satelliten müssen einen Kriterienkatalog erfüllen, der unter anderem eine Entsorgung beziehungsweise einen Wiedereintritt innerhalb eines bestimmten Zeitraums regelt. Für Satelliten, die den Low-Earth-Orbit-Bereich (<2.000 Kilometer Orbithöhe) durchqueren, muss dies innerhalb von 25 Jahren geschehen. Höhere Satelliten (zum Beispiel Navigationssatelliten) werden in einem sogenannten Friedhofsorbit geparkt, wo sichergestellt werden kann, dass es langfristig zu keinen gegenseitigen Behinderungen kommt. Hierbei müssen unter anderem auch Beeinflussungen durch den Strahlungsdruck der Sonne mit einberechnet werden.

Lösungsansätze – Science Fiction oder Realität?

Der amerikanische Astrophysiker Donald J. Kessler warnte bereits vor Jahren davor, dass eine Kettenreaktion von Kollisionen von Satellitenfragmenten im Extremfall dazu führen könnte, dass sich eine für die Raumfahrt unpassierbare Kugelschale aus Schrottteilen um die Erde bildet. Lösungsansätze für das Problem Weltraumschrott sind derzeit gleichermaßen fiktiv wie spektakulär. Ein starker Laser soll über die Oberfläche von Satelliten Energieverluste bewirken, die den Orbit absenken. Große Objekte könnten mit Netzen oder Harpunen eingefangen und dann kontrolliert zum Wiedereintritt gebracht werden.

SLR als Grundvoraussetzung

Grundvoraussetzung für die Vermeidung von Kollisionen beziehungsweise für jegliche Entfernung von Weltraumschrott ist jedoch eine genaue Kenntnis des Orbits beziehungsweise der Drehung des Objekts. Laserbasierte Entfernungsmessung zu Satelliten (Satellite Laser Ranging, SLR) ist hierfür die perfekte Methode. Die IWF-Laserstation Graz-Lustbühel vermisst den Abstand zu Satelliten mittels eines Lasers mit einer Einzelschussgenauigkeit von circa zwei bis drei Millimeter. Auf "kooperativen Satelliten" befinden sich Retroreflektoren, die das ausgesendete Laserlicht in Richtung Sender zurück reflektieren. Nach wenigen Millisekunden bis maximal circa 0,25 Sekunden trifft das Licht wieder in Graz ein, wird mit einem Teleskop von 0,5 Metern Durchmesser empfangen und auf einen Einzelphotonendetektor (Single Photon Avalache Diode, SPAD) mit 200 Mikrometer Durchmesser gebündelt. Von den ausgesendeten 1.E15 Lichtteilchen (1.000.000.000.000.000) pro Laserschuss kommen einzelne Teilchen wieder bei der Station an. Der Sende- und Empfangszeitpunkt des Lichts wird dabei relativ zueinander mit einer Genauigkeit von wenigen Pikosekunden (1.E-12 s) vermessen. Der Laser feuert mit zwei kHz (2.000 Schüsse in der Sekunde) bei einer Leistung von 0,8 Watt und eine Pulsdauer von zehn Pikosekunden. Im Idealfall erhält man daher auch 2.000 Entfernungsmessungen pro Sekunde. Graz vermisst auf diese Art bei Schönwetter bei Tag und Nacht mehr als 130 verschiedene Satelliten. Die Daten von weltweit circa 40 Laserstationen werden von einer internationalen Community dafür verwendet, wiederum genaue Orbits der Satelliten zu berechnen. Auf Basis dieser Entfernungsmessungen ist es für Forscher unter anderem möglich, Rückschlüsse auf die Bewegungen des Zentrums des Erdschwerefelds zu ziehen beziehungsweise ein genaues terrestrisches Koordinatensystem zu definieren.

Weltraumschrott stellt dabei naturgemäß ein etwas schwierigeres Ziel dar, da sich keine Reflektoren an Bord befinden. Mit einem etwas stärkeren Laser (16 Watt, 200 Hz) kann man auch das diffus reflektierte Licht von größerem Weltraumschrott detektieren. Durch die längere Pulsdauer des Lasers von einigen Nanosekunden (1.E-9 s) ist die Einzelschussgenauigkeit nicht mehr bei zwei bis drei Millimeter sondern circa bei einem Meter. Objekte in dieser Größenordnung können derzeit vermessen werden. In Anbetracht der rasanten Entwicklung der Lasertechnologie sind hinsichtlich minimaler Größe der beobachtbaren Objekte und der Messgenauigkeit deutliche Verbesserungen zu erwarten.

Aktuelle Forschungschwerpunkte

Momentan sind Distanzmessungen zu Weltraumschrott nur rund um die Dämmerungsperiode möglich. Das reflektierte Sonnenlicht der Satelliten wird mit einer astronomischen Kamera dargestellt, wodurch ungenaue Orbitvorhersagen korrigiert werden können. Die Forscher der Laserstation Graz-Lustbühel arbeiten aber bereits daran, größere Objekte auch bei Tageslicht sichtbar zu machen. Dies würde eine deutliche Ausdehnung der möglichen Beobachtungszeiten von Weltraumschrott bewirken. Durch regelmäßige Entfernungsmessungen von Weltraumschrott lässt sich die Genauigkeit der Orbitvorhersagen deutlich steigern. Idealerweise beobachtet eine Vielzahl an Stationen weltweit gezielt gewisse Schrottteile, die eine potentielle Gefahr für aktive Satelliten darstellen. Durch die verstärkte Beobachtung muss es dann innerhalb weniger Tage möglich sein, die Genauigkeit der Vorhersagen soweit zu steigern, dass eine Kollision ausgeschlossen und ein teures Ausweichmanöver vermieden werden kann. Derzeit gibt es noch kein weltumfassendes Netzwerk, das in der Lage ist, Weltraumschrott mittels Laser zu vermessen. Graz hat dabei seit Jahren als eine von wenigen Stationen eine Vorreiterrolle eingenommen.

Ein weiterer Vorteil von Lasermessungen zu Satelliten ist, dass man direkt Rückschlüsse auf die Lage des Satelliten ziehen kann. Ein sich drehender Satellit zeigt nur zu definierten Zeitpunkten seine Retroreflektoren, wodurch das Signal zwischendurch je nach Einfallswinkel zurückgeht beziehungsweise ganz abbricht. Bei Weltraumschrott (ohne Reflektoren) reflektiert statistisch das gesamte Objekt das ausgesendete Laserlicht. Eine zylinderförmige Raketenoberstufe (zum Beispiel zehn Meter lang, zwei Meter Durchmesser), deren Zylinderachse annähernd parallel zur Beobachtungsrichtung ausgerichtet ist, liefert – wenn sie rotiert – dementsprechend auch Entfernungsunterschiede von etwa zehn Meter. Eine Zylinderachse normal zur Beobachtungsrichtung kann hingegen nur unterschiedliche Entfernungsinformation von einem Meter liefern. Diese Daten können dazu genützt werden, um die Rotationsachse von Weltraumschrott zu bestimmen.

Unkontrollierter Wiedereintritt

Zusätzlich zur Kollisionsgefahr mit aktiven Satelliten im Weltall sind auch die Gefahren beim Wiedereintritt von größeren Objekten ein wichtiges Thema auf internationalen Tagungen. Erst kürzlich erregte der unkontrollierte Wiedereintritt der chinesischen Raumstation Tiangong-1 ein großes mediales Echo. Letztendlich trat diese über dem pazifischen Ozean wieder in die Atmosphäre ein. Objekte dieser Größenordnung verglühen beim Wiedereintritt üblicherweise nicht vollständig. Sie zerbrechen in ihre Einzelteile, die wiederum auf die Erdoberfläche gelangen können. Eine Gefahr, dass Teile über Österreich einschlagen, bestand damals nicht. Der sogenannte Ground-track der Raumstation (die Projektion der Satellitenbahn auf die Erdoberfläche) befand sich innerhalb eines Streifens von +/- 45 Grad rund um den Äquator. Genaue Vorhersagen des Ortes beziehungsweise Zeitpunktes sind jedoch schwierig. Generell gilt die Faustformel, dass die zeitliche Unsicherheit der Berechnung des Wiedereintrittes circa zehn Prozent der verbleibenden Zeit im Orbit beträgt. Ein vorhergesagter Wiedereintritt in einer Woche ergibt eine Ungenauigkeit von rund einem Tag, ein vorhergesagter Wiedereintritt in einem Tag eine Ungenauigkeit von mehr als zwei Stunden. Bei einer Umlaufdauer des Satelliten um die Erde von circa 1,5 Stunden wird das Problem der Vorhersage der Position des Wiedereintritts deutlich ersichtlich. Innerhalb dieser Ungenauigkeit kann der Satellit noch mehr als eine Erdumrundung vervollständigen. Die Ungenauigkeit rührt in erster Linie daher, dass Dichtevariationen in der Thermosphäre schwierig vorhersagbar sind.

Die Wahrscheinlichkeit, dass man von Weltraumschrott getroffen wird, ist jedoch verschwindend gering. Entfernungsmessungen zu einem Objekt in Sichtweite wären aber wohl in jedem Fall überflüssig. (Michael Steindorfer, 11.9.2019)

Michael Steindorfer studierte Physik an der Technischen Universität und an der Karl Franzens Universität in Graz sowie an der Uppsala Universität in Schweden. Nach der Fertigstellung seiner Dissertation begann er 2014 seine Arbeit an der Laserstation Graz Lustbühel des Instituts für Weltraumforschung.

Links

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