Weltraummüll

Verteilung des Weltraummülls in niedrigen Erdumlaufbahnen

Abgetrennte zweite Stufe einer Delta II Rakete im Orbit, aufgenommen vom XSS-10 Experimentalsatelliten

Auf die Erde gestürzter Überrest einer PAM-D Raketenstufe

Ein Stück Aluminiumoxid aus einem Test eines Space Shuttle Boosters

Unter Weltraummüll versteht man die nicht operationellen Überbleibsel der verschiedenen Raumfahrtmissionen im irdischen Orbit.

Laut Modellen, wie z.B. MASTER (Meteoroid and Space Debris Terrestrial Environment Reference) von der ESA, befinden sich ca. 580.000 Objekte mit einem Durchmesser größer als 1 cm in Umlaufbahnen um die Erde. Nur ein Bruchteil davon, ca. 13.000 Objekte, kann mit Hilfe des amerikanischen Space Surveillance Systems kontinuierlich beobachtet werden. Hierbei handelt sich es je nach Umlaufbahn um Objekte mit einem Durchmesser zwischen 5 und 50 cm. Im Rahmen von Weltraummüll-Meßkampagnen werden mit Hilfe von Radaranlagen und Teleskopen sporadische Messungen durchgeführt. Hierbei können Objekte bis hinunter zu einem Durchmesser von 2 mm (Goldstone-Radarbeobachtungen) in LEO bzw. 10 cm (ESA-Space Debris Teleskop) in GEO detektiert werden. Solche Beobachtungen werden zur Validierung von Weltraummüll-Modellen wie MASTER verwendet. Eine weitere Quelle für Informationen über die Weltraummüllumgebung sind zurückgeführte Satellitenoberflächen. Dazu zählen unter anderem die Solarzellen des Hubble Space Teleskops. Auf letzteren wurde eine Vielzahl an Einschlagkratern erfaßt und ausgewertet. Mit Hilfe spektroskopischer Analysen konnten auch Rückschlüsse auf die Zusammensetzung und somit die möglichen Quellen der eingeschlagenen Objekte gezogen werden.

Risiken

Die durchschnittliche Differenzgeschwindigkeit zwischen Weltraummüll und Satellit beträgt ca. 10 km/s. Aufgrund der hohen Geschwindigkeit setzt bereits der Einschlag eines nur 1 cm großen Objektes die kinetische Energie einer Handgranate frei. Bereits Einschläge von Millimeter-Objekten können die Funktion eines Satelliten beeinträchtigen oder ihn unbrauchbar machen. Die bemannten Module der Internationalen Raumstation (ISS) sind mit doppelwandigen Meteoritenschutzschilden ausgestattet und können aufgrund der durch den Einschlag in die erste Wand erzeugten Streuwirkung Einschlägen von Weltraummüll bis zu einem Zentimeter Durchmesser widerstehen.

Bereits jetzt ist auf einigen Umlaufbahnen die durch Einschläge von Weltraummüll hervorgerufene Ausfallwahrscheinlichkeit operationeller Satelliten nicht mehr vernachlässigbar. Selbst Einschläge kleinerer Partikel bis in den Mikrometerbereich können sensitive Nutzlasten beschädigen, Plasmaentladungen hervorrufen oder eine Bedrohung für das Leben von Astronauten bei Außenbordaktivitäten sein.

Viele Raumfahrzeuge, wie z.B. die Space Shuttles oder die Internationale Raumstation, aber auch Satelliten wie z.B. der Erdbeobachtungssatellit Envisat sind in der Lage, notfalls Ausweichmanöver durchzuführen, um eine als nicht unwahrscheinlich (z.B. p=1/10.000) eingestufte Kollision mit einem der ca 13.000 Objekte, deren Bahnen kontinuierlich verfolgt werden, zu vermeiden. Im Jahr 2004 musste Envisat bereits zwei solcher Manöver durchführen. Raumfähren wie z.B. die Discovery mussten insgesamt sechs Ausweichmanöver fliegen.

Quellen und Senken

Neben Starts neuer Satelliten gibt es eine Vielzahl an Ereignissen und Mechanismen, die zur Enstehung von Weltraummüll führen. Dazu zählen:

• Explosionen von Satelliten oder Oberstufen - diese werden hervorgerufen durch absichtliche Sprengungen, durch die Entzündung von Resttreibstoffen von Oberstufen und durch das Verdampfen von kryyogenen Treibstoffkomponenten in Oberstufen in denen noch Treibstoffreste zurückgeblieben sind. Durch die Ausdehnung dieser Treibstoffe während des Verdampfens können die Oberstufen gesprengt werden. Explosionen können auch von Entladungen in Batterien der Satelliten ausgelöst werden. - Es wird angenommen, daß sich seit Beginn der Raumfahrt etwa 200 Explosionen im Orbit ereignet haben
• Feststoff-Motoren - während des Abbrandes solcher Motoren entsteht Feststoffmotor-Staub, aus Aluminiumoxid, im Mikrometerbereich, am Ende des Abbrandes entstehen Schlackeobjekte mit einem Durchmesser bis zu mehreren Zentimetern
• Reaktorkühlmittel aus weltraumgestützten Buk-Kernreaktoren von sowjetischen Spionagesatelliten der im Westen als RORSAT bekannten Serie. Bei 16 solcher Satelliten wurde nach Beendigung der Mission eine Abstoßung des Reaktorkerns durchgeführt, dabei wurde das Kühlmittel des primären Kühlkreislaufs, NaK-78, freigesetzt (jeweils ca. 8 kg). Das NaK verteilte sich dabei in Tropfen verschiedener Größe auf den Umlaufbahnen der RORSAT-Satelliten.
• Oberflächendegradation - aufgrund der Umgebungsbedingungen im Weltraum lösen sich z.B. Farbpartikel von Satelliten und Oberstufen ab - neueste Beobachtungen des ESA Space Debris Teleskops deuten außerdem darauf hin, dass sich vermutlich häufiger auch größere Teile von Satelliten ablösen. Der zeitliche Verlauf der Bahnparameter dieser Objekte zeigte, dass sie ein sehr hohes Flächen- zu Massenverhältnis besitzen (bis zu 30 m²/kg). Daher könnte es sich hierbei um Wärmeschutzfolie handeln.
• Ejecta - durch Einschläge von Mikrometeoriten und Weltraummüll freigesetzte Bestandteile orbitaler Objekte
• West Ford Dipole - zu Beginn der sechziger Jahre im Rahmen der West-Ford-Experimente freigesetzte Nadeln, die sich aufgrund der verschieden starken Gravitation an beiden Enden der Nadeln (ähnlich wie Gravitationsgradientenstabilisierung bei Satelliten)zur Erde hin ausgerichtet und dabei Cluster gebildet haben.
• Missionsbedingte Objekte - im Rahmen von Weltraummissionen freigesetze Objekte, wie z.B. Sprengbolzen und Abdeckungen. Ebenfalls ganze Raketenoberstufen, die mit den Satelliten in die Umlaufbahnen gelangen und dort verbleiben.
• Kollisionen - Bruchstücke und Fragmente, die aus der Kollision von zwei Raumflugkörpern resultieren. Beispiel: Abtrennung des CERISE- Boom (ausfahrbarer Mast) durch eine ARIANE-Raketenoberstufe, die zehn Jahre zuvor in den Orbit gebracht wurde.

Die Teile in niedrigen Umlaufbahnen werden durch einen Rest an Luftwiderstand abgebremst und verglühen irgendwann in der Atmosphäre, nur sehr wenige sind groß genug, um auf die Erdoberfläche zu stürzen. In größeren Höhen wird diese Reibung immer geringer, so dass der Weltraumschrott in einer Höhe von 800 km bereits Jahrhunderte, in einer Höhe von 1.500 km sogar einige tausend Jahre braucht, um zu verglühen.

Da die Höhen von 800 km und 1.500 km als Umlaufbahnen bevorzugt genutzt werden, wächst die Bedrohung für die kommerzielle und wissenschaftliche Raumfahrt. Konzepte, wie dieses Problem zu lösen ist, scheitern zur Zeit an den damit verbundenen Kosten. So wäre es denkbar, die Trümmer mit einem Laserstrahl zu verdampfen. Gelingt dies aber nicht vollständig, werden nur neue Teile in größerer Zahl erzeugt. Hinzu kommt der dafür benötigte hohe Energieverbrauch.

Vermeidungsmaßnahmen

Das einzige, was momentan unternommen werden kann, ist das Verhindern der Entstehung neuen Weltraummülls. So werden bei allen modernen Raketen die in die Umlaufbahn gelangende Stufen mit Hilfe einer zusätzlichen Triebwerkzündung wieder abgebremst, um sie in der Atmosphäre verglühen zu lassen. Bei Oberstufen, die in hohe Umlaufbahnen gelangen und keinen ausreichenden Bremsimpuls erzeugen können, werden zumindest die Reste des Treibstoffs verbraucht/abgelassen, um eine mögliche Explosion zu verhindern. Eine weitere Maßnahme ist die Vorgabe, Satelliten nach Möglichkeit nur auf solchen Bahnen zu platzieren, auf denen sie durch den Widerstand der Restatmosphäre nach einer gewissen Zeit (z.B. 25 Jahre) automatisch abstürzen. Letzteres kann auch durch gezielte de-orbit Manöver erreicht werden.

Die Europäische Weltraumorganisation ESA hat vor wenigen Jahren ein Konzept für einen Satelliten erarbeitet, der bis zu 30 ausgediente Oberstufen und Satelliten aus dem Geostationären Ring in einen wenige hundert Kilometer darüber gelegenen Friedhofsorbit befördern kann.Nach dem derzeitigen Stand der Entwicklung wird der mit "ROGER" (Robotic Geostationary Orbit Restorer) bezeichnete Satellitenfänger ein Wurfnetz auf einen Zielsatelliten schiessen und diesen damit in die Friedhofsbahn ziehen. Durch geschickte Beschleunigungs- und Abbremsmanöver wird verhindert, dass sich das Seil, mit dem das Wurfnetz am ROGER befestigt ist, entspannt. In der Friedhofsbahn angekommen, wird das Seil gekappt und Satellit und Netz verbleiben dort. Die Verwendung eines Wurfnetzes erfordert jedoch einen großen Vorrat von Netzen, da für jede Mission ein einzelnes Netz benötigt wird. Daher wird an einem ähnlichen Verfahren mit einem wiederverwendbaren Greifarm geforscht.

Siehe auch: Weltraumhaftung

Weblinks

Commons: Weltraummüll – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien