Weltraummüll

Syn. Weltraumschrott, besser: Raumfahrtrückstände; engl. space debris, space junk; alle vom Menschen hinterlassenen funktionslosen Objekte im Weltraum. Die bislang vorhandenen Raumfahrtrückstände entstand durch die 5450 erfolgreichen Raketenstarts (2019), die seit Beginn des Raumfahrtzeitalters (1957) durchgeführt wurden. Dabei wurden etwa 8950 Satelliten ausgesetzt, von denen sich noch immer rund 5000 im Orbit befinden. Die meisten davon, nämlich 3950, funktionieren längst nicht mehr. Am vollsten ist es dabei auf den geostationären Bahnen in 35.786 km Höhe – die ideale Wahl für Wetter- und Telekommunikationssatelliten. Weltraummüll ist ein unerwünschtes Nebenprodukt der Raumfahrt, weil er diese behindert, aber auch zu Schäden auf der Erde führen kann.

Infografik: Satelliten vs. Müll

Satelliten in der Umlaufbahn teilen sich den erdnahen Raum mit Millionen von sich schnell bewegenden und gefährlichen Trümmerteilen. Von winzigen, millimetergroßen Fragmenten bis hin zu ganzen Satelliten, die nicht mehr funktionieren, nicht mehr kontrolliert werden und die Weltraumautobahnen durchstreifen, legt jedes Trümmerteil viele Kilometer pro Sekunde zurück. Jeder Zusammenstoß mit einem dieser Objekte droht die Funktion eines funktionierenden Raumschiffs zumindest zu beeinträchtigen oder schlimmstenfalls ganz zu zerstören und immer mehr Trümmer zu erzeugen.

In dieser Infografik der ESA und des Büros der Vereinten Nationen für Weltraumangelegenheiten (United Nations Office for Outer Space Affairs, UNOOSA) erfahren Sie mehr über das Ausmaß des Trümmerproblems: Wie viel davon ist da oben, von welchen Größenordnungen sprechen wir, und womit haben es unsere Satelliten zu tun?

Satelliten vs. Müll Quelle: ESA (2021)

Mehr Informationen gibt es in Episode Eins des entsprechenden ESA & UNOOSA Podcasts, "Satellites vs. debris".

Klassifizierung und Quantifizierung

Im Oktober 2019 meldete das US Space Surveillance Network fast 20.000 künstliche Objekte in Umlaufbahnen über der Erde, darunter 2.218 operative Satelliten. Dies sind jedoch nur die Objekte, die groß genug sind, um verfolgt zu werden. Im Januar 2019 befanden sich schätzungsweise mehr als 128 Millionen Trümmer, die kleiner als 1 cm sind, etwa 900.000 Trümmer von 1-10 cm und etwa 34.000 Trümmer, die größer als 10 cm sind, in der Erdumlaufbahn.

Wenn die kleinsten Objekte von menschlich hergestelltem Weltraumschrott (Farbpartikel, feste Raketenabgaspartikel usw.) mit Mikrometeoroiden zusammengruppiert werden, werden sie von den Raumfahrtbehörden manchmal zusammen als MMOD (Micrometeoroid and Orbital Debris) bezeichnet. Kollisionen mit Trümmern sind zu einer Gefahr für Raumfahrzeuge geworden; die kleinsten Objekte verursachen Schäden wie beim Sandstrahlen, insbesondere an Sonnenkollektoren und Optiken wie Teleskopen oder Sternentrackern, die nicht leicht durch einen Schutzschild geschützt werden können.

Unterhalb von 2.000 km Erdhöhe sind die Trümmerteile dichter als Meteoroiden; die meisten sind Staub von Raketenmotoren mit Festtreibstoffen, Oberflächenerosionstrümmer wie Farbsplitter und gefrorenes Kühlmittel von RORSAT (nuklearbetriebenen Satelliten). Zum Vergleich: Die Internationale Raumstation umkreist die Erde in einer Höhe von 300-400 Kilometern, während die beiden jüngsten großen Trümmerereignisse - der chinesische Antisat-Waffentest 2007 und die Satellitenkollision 2009 - in 800 bis 900 Kilometern Höhe stattfanden. Die ISS verfügt über eine Whipple-Abschirmung, um Schäden durch kleine MMODs zu verhindern; bekannte Trümmer mit einer Kollisionswahrscheinlichkeit von über 1/10.000 werden jedoch durch das Manövrieren der Station vermieden.

Risiken

Das Risikopotential des Weltraummülls besteht in der hohen kinetischen Energie, welche infolge der hohen Geschwindigkeiten, die bei Kollisionen auftreten können, freigesetzt wird. Unterhalb von 2.000 km Höhe beträgt die durchschnittliche Kollisionsgeschwindigkeit etwa 36.000 km/h. Ein grundsätzliches Risiko für Raumfahrzeuge geht von Objekten aus, die größer als ein Millimeter sind, da sie etwa ab dieser Größe eine Satellitenstruktur beschädigen können. Ein besonderes Risiko geht von Objekten aus, die größer als ein Zentimeter sind, da sie im Falle einer Kollision ein Raumfahrzeug zerstören können. Sie durchschlagen jede Struktur, auch wenn diese zum Schutz mit Mehrfachwänden umgeben ist. Objekte größer als 1 cm sind nicht mehr abschirmbar. Ein Objekt von einem Zentimeter Größe setzt im Falle einer Kollision mit einer Satellitenstruktur etwa die Energie einer Handgranate frei. Diese Objekte beinhalten auch deshalb ein Risikopotential, weil es nicht möglich ist, sie vollständig zu beobachten. Denn die Umlaufbahnen von Objekten kleiner als 10 Zentimeter sind unbekannt. Eine mögliche Kollision mit einem Raumfahrzeug kann nicht vorhergesehen werden. Die Internationale Raumstation ISS musste bereits mehrmals Objekten, die sich ihr bedrohlich näherten, durch geringfügige Bahnänderungen ausweichen.

Mit der Zunahme von Satelliten, die sich auf hohen Umlaufbahnen zwischen 1.000 und 20.000 Kilometern oder auf der geostationären Bahn in 36.000 Kilometern Höhe befinden, steigt inzwischen die Anzahl langlebiger Fragmente, die Jahrzehnte oder noch länger unseren Heimatplaneten umkreisen werden.

Quellen

Die bekanntesten Beiträge zum Weltraummüll bestehen aus ausgedienten Satelliten, ausgebrannten Oberstufen, missionsbedingten Objekten (abgesprengte Haltebolzen, von Astronauten verlorenes Werkzeug) und Trümmern von unbeabsichtigten und beabsichtigten Kollisionen sowie von Explosionen von Satelliten oder Raketen-Oberstufen. Nicht zu vernachlässigen sind die meist kleinen Fragmente, die von Antisatellitenwaffen-Tests herrühren. So brachte der chinesische Test einer Antisatellitenwaffe am 10. Februar 2007, bei dem der ausgediente chinesische Wettersatellit Fengyun-1C zerstört wurde, mehr als 3300 katalogisierte Fragmente hervor, die größer als zehn Zentimeter sind. Die entstandene Anzahl noch kleinerer Teilchen ist wesentlich größer und kann nur geschätzt werden (ca. 150.000 Teile). Die Mehrzahl der Schrottteile wurde auf langlebige Orbits geschleudert, und die Überbleibsel dieses Ereignisses werden für mindestens ein Jahrhundert im All verbleiben. Es ist wahrscheinlich, dass Schrott des chinesischen Tests 2013 einen russischen Kleinsatelliten beschädigten.

Wenig ist öffentlich bekannt über die sogenannten Killersatelliten, die während des Kalten Krieges – wahrscheinlich auch noch heute – eigens zur Neutralisierung von Spionagesatelliten des Gegners eingesetzt werden. Die meisten führen selbstzerstörerisch eine beabsichtigte Kollision mit dem Ziel herbei, mitunter einhergehend mit einer Explosion.

Für den Großteil der verzeichneten Weltraumtrümmer sind ca. 240 orbitale Explosionen und bis zu zehn bekannte Kollisionen verantwortlich. Zum Beispiel zerbarst 1994 die Oberstufe einer Pegasusrakete in 703 Trümmerstücke. Manche Objekte werden absichtlich gesprengt, bei anderen detoniert an Bord verbliebener Resttreibstoff. Auslöser können Entladungen von Batterien der Satelliten sein.

Im Februar 2009 kollidierten erstmals zwei Satelliten im Weltraum (Iridium 33 und Kosmos 2.251), was zu weiteren mehr als 2200 Fragmenten, die größer als zehn Zentimeter sind, sowie eine nicht genau erfassbare Zahl noch kleinerer Teile führte.

Ferner emittieren Feststofftriebwerke beim Abbrennen mikrometergroße Partikel aus Aluminiumoxid. 16 nuklear betriebene sowjetische Spionagesatelliten vom Typ Rorsat hinterließen radioaktiven Weltraumschrott. Nach Ende ihrer Mission wurden die Reaktorkerne abgesprengt, wobei das Kühlmittel – eine Natrium-Verbindung – freigesetzt wurde und große Tropfen bildete. Von Satelliten abgeplatzte Farbe sind eine weitere Quelle für Weltraummüll.

Eher ins Reich der Kuriositäten gehören einige wenige Werkzeuge, die Astronauten bei Weltraumausstiegen verloren haben. Solche herumvagabundierenden Geräte könnten allerdings der Raumstation ISS gefährlich werden, wenn ihre Umlaufbahn sich so verändert, dass sie sich mit hoher Geschwindigkeit der Station nähern.

Der NASA-Berater Donald J. Kessler prognostizierte 1978 das als Kessler-Syndrom bekannt gewordene Szenario, nach dem bei Einschlägen kleiner Fragmente und Meteoroide jeweils viele größere Fragmente entstehen würden und so das Müllproblem beschleunigt wachsen würde, selbst wenn keine weiteren Satelliten mehr gestartet würden.

Das folgende Diagramm zeigt eine Zusammenfassung aller Objekte in der Erdumlaufbahn mit einer charakteristischen Größe von über 10 cm, die offiziell vom U.S. Space Surveillance Network katalogisiert wurden. "Fragmentierungsschutt" umfasst Trümmer von Satelliten und Trümmer von anomalen Ereignissen, während "missionsbedingter Trümmer" alle Objekte umfasst, die als Teil der geplanten Mission verteilt, getrennt oder freigegeben wurden.

Der starke Anstieg im Jahr 2007 ist der Zerstörung von Fengyun-1C geschuldet und der Anstieg 2009 stammt von der Kollision der Satelliten Iridium 33 und Kosmos 2251.

Monatliche Anzahl katalogisierter Objekte in der Erdumlaufbahn nach Objekttyp Quelle: Aerospace & Defence (nach NASA Orbital Debris Quarterly Newsletter

Senken

Glücklicherweise werden die meisten Fragmente nach wenigen Tagen, Wochen oder Monaten in der Erdatmosphäre vernichtet, da die dünnen oberen Schichten sie langsam abbremsen, bis sie in Richtung Erdoberfläche stürzen. Durch den Luftwiderstand mit den Teilchen der Atmosphäre verglühen sie schließlich. Teile von großen Objekten wie Oberstufen oder sehr große Satelliten werden dabei nicht immer vollständig zum Verglühen gebracht und können durchaus auf der Erdoberfläche aufschlagen. Zuletzt passierte das beim Absturz des amerikanischen Satelliten UARS (Upper Atmosphere Research Satellite) Ende September 2011, als Fragmente des omnibusgroßen Satelliten über dem Pazifik niedergingen.

Trotz dieser „heißen“ Entsorgung in der Atmosphäre nimmt die Anzahl von Müllteilen in der Umgebung der Erde ständig zu. Und damit wird die Raumfahrt zunehmend gefährdet.

Beobachtung und Gegenmaßnahmen

Um laufende und künftige Missionen vor den gefährlichen Raumfahrtrückständen zu schützen sowie Müllvermeidungsstrategien entwickeln zu können, muss zunächst der Istzustand erfasst werden, um daraus Prognosen für die weitere Entwicklung ableiten zu können. Das wird derzeit vor allem vom US Space Surveillance Network (US SSN) übernommen. Die Organisation gibt regelmäßig einen Katalog mit den Bahnelementen der erfassten Objekte heraus. Offen zugänglich ist jedoch nur ein Teil der Daten, denn militärische Dienststellen haben kein Interesse daran, dass Bahndaten einiger geheimer Militärsatelliten bekannt werden. Russland betreibt ein ähnliches System und auch die ESA wird im Rahmen des europäischen Space Situational Awareness Programms ihre Aktivitäten auf diesem Gebiet ausbauen, in dem sie eine geeignete Infrastruktur zur Beobachtung schafft.

Obwohl die Maßnahmen gegen die weitere Entstehung von Weltraummüll sowie die aktive Entfernung von ausgedienten Satelliten aus den Umlaufbahnen technologisch anspruchsvoll und potenziell kostspielig sind, gibt es keine andere Möglichkeit, das Weltall als wertvolle Ressource für unsere kritische Satelliteninfrastruktur zu schützen. Die direkten Kosten von Satelliten und die Kosten, die mit ihrem möglichen Verlust entstehen, sind weitaus höher, als die Kosten der Abhilfemaßnahmen.

Studien verschiedener Raumfahrtagenturen zeigen, dass die Situation im erdnahen Orbit zwischen 600 und 1000 Kilometern Höhe entschärft werden könnte, wenn jährlich fünf bis zehn der größeren, kritischen Trümmerteile entfernt werden könnten.

Bei der Beseitigung von Weltraummüll handelt es sich um ein Umweltproblem auf globaler Ebene, welches in einem internationalen Kontext, einschließlich der UN-Gremien, angegangen werden muss. Noch ist es jedem Land ist es selbst überlassen, wie es mit seinem Weltraummüll umgeht. Verbindliche Abkommen gibt es nicht, entsprechend auch keinen Umweltschutz im All. Laut dem Weltraumschrott-Experten Prof. Dr. Walter Flury vom ESOC (European Space Operations Centre) in Darmstadt " ist die beste Technik nutzlos, bis die UNO einen Verhaltenskodex verabschiedet. Denn das Aufräumen im All beginnt auf der Erde".

Das Raumfahrtmanagement des DLR 2015 hat das Fraunhofer Forschungsinstitut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik (FHR) in Wachtberg mit der Entwicklung und dem Bau eines leistungsfähigen Radars zur Überwachung und Verfolgung von Objekten im erdnahen Weltraum beauftragt. Das GESTRA (German Experimental Space Surveillance and Tracking Radar) genannte System ist ein experimentelles Weltraumüberwachungsradar, mit dem Bahndaten von Satelliten und Trümmern im niedrigen Erdorbit in einer Höhe zwischen 500 und 1200 Kilometern erfasst werden sollen. Es hat Ende 2019 die ersten Messungen vorgenommen. Da es sich um sicherheitsrelevante Daten handelt, soll das Radar vom gemeinsamen Weltraumlagezentrum von DLR und Luftwaffe in Uedem aus betrieben werden. GESTRA soll auch im Verbund mit anderen Großanlagen wie dem Weltraumbeobachtungsradar TIRA oder dem Radioteleskop Effelsberg betrieben werden, um die Expertise im sogenannten bi- und multistatischen Radarbetrieb zu erweitern. Dieser fußt auf der radargestützten Beobachtung von Objekten im Weltraum, bei der mehrere, räumlich getrennte Sende- und Empfangseinrichtungen beteiligt sind. So können gerade kleinere Objekte besser erkannt und genauer bestimmt werden. Die Daten von GESTRA sollen nur Forschungseinrichtungen in Deutschland (!) zur Verfügung gestellt werden und bilden die Grundlage für die künftige Entwicklung in der operationellen Weltraumüberwachung.

Die US-Luftwaffe baut derzeit ein Weltraumüberwachungssystem der zweiten Generation auf, um künstliche Satelliten und Weltraummüll in der Erdumlaufbahn zu verfolgen. Das Space Fence genannte System wird ein S-Band-Radar verwenden. Es soll bis zu 200.000 Objekte im Erdorbit verfolgen können und 1,5 Millionen Beobachtungen pro Tag machen. Das Budget beträgt 1,594 Milliarden US-Dollar Die erste Anlage für den Space Fence wird sich auf dem Kwajalein-Atoll auf den Marshall-Inseln befinden, zusammen mit einer Option für einen weiteren Radarstandort in Westaustralien. Das System soll seine Arbeit im Jahr 2021 aufnehmen.

Die US-Regulierungsbehörde FCC (Federal Communications Commission) hat 2022 verfügt, dass Satellitenbetreiber im niedrigen Erdorbit bis zu 2.000 km Höhe nur noch fünf anstatt bisher 25 Jahre Zeit haben, um ausgediente Satelliten aus dem All zu entfernen. Die ESA hat inzwischen Nachgezogen. Die europäische Raumfahrtagentur hat außerdem das Ziel, bis 2030 keinen Weltraummüll mehr zu verursachen.

Die ESA gab im Spätjahr 2019 die weltweit erste Weltraummüllbeseitigung in Auftrag. ClearSpace-1 wird die erste Weltraummission sein, die Trümmer aus der Erdumlaufbahn entfernt. Die Mission soll 2025 starten und wurde bei einem von einem Start-up geführten kommerziellen Konsortium in Auftrag gegeben, um einen neuen Markt für In-Orbit-Service und Trümmerbeseitigung zu erschließen. Zielobjekt der ClearSpace-1-Mission ist die Vespa (VEga Secondary Payload Adapter) Oberstufe, die nach dem Flug der ESA-Trägerrakete Vega im Jahr 2013 auf einer Umlaufbahn von ca. 800 x 660 km Höhe liegt. Der ClearSpace-1 „Chaser“ wird für die Inbetriebnahme und kritische Tests in eine niedrigere 500-km-Umlaufbahn gebracht, bevor er zum Rendezvous und zur Erfassung mit einem Quartett von Roboterarmen unter Aufsicht der ESA seine höhere  Zielumlaufbahn ansteuert. Der Chaser und Vespa werden dann zusammen aus dem Orbit gebracht, um schließlich in der Erdatmosphäre zu verbrennen.

Ferner setzt die ESA mit der „CleanSpace“ Initiative auf neue Technologien, etwa eine Art Aufräumsatellit, der größere Objekte mit Netzen einsammeln oder durch Kursänderung oder Abbremsen zum kontrollierten Wiedereintritt und Verglühen in der Erdatmosphäre bringen könnte.

Ende Februar 2014 wurde der japanische Nanosatellit STARS-2 gestartet, der ein neues Verfahren zur Beseitigung von Weltraummüll testen soll. Chinesische Forscher schlagen vor, einen Raumantrieb zu bauen, der aus Weltraumschrott Treibstoff macht und sich so quasi unendlich lang seiner Putzmission widmen kann.

Quellen und Senken von Weltraummüll Quelle: ESA

Weitere Informationen:

• Re-entry Assessment and Space Surveillance Fact Sheet (USSTRATCOM)
• Weltraummüll (Deutscher Bundestag, Wissenschaftliche Dienste)
• Orbital Debris - FAQ (NASA 2020)
• Weltraumschrott im Focus (DLR)
• Space debris - On collision course for insurers? (SwissRe)
• Weltraummüll - eine Evolution in Bildern (ESA)
• Weltraummüll - Wie gefährlich ist der Schrott? (ESA)
• Space Debris Office (ESA)
• NASA Orbital Debris Program Office (NASA)
• STARS-2 (Space Tethered Autonomous Robotic Satellite-2) (eoPortal Directory)
• ESA’s Annual Space Environment Report (ESA)
• Space Fence for SSA (Space Situational Awareness) Services (eoPortal Directory)
• Wie Weltraummüll alle (be-)trifft (c't)
• ESA’s Annual Space Environment Report (ESA 2020)
• Weltraummüll: die aktuelle Lage (ESA 2020)
• ESA beauftragt Startup mit der weltweit ersten Mission zur Entfernung von Weltraummüll (ESA 2020)
• Weltraum-Nachhaltigkeitsrating verdeutlicht das Weltraumschrottproblem (ESA 2021)
• Neue Laserstation unterstützt die Nachverfolgung von Weltraummüll (ESA 2022)