Wie Weltraumschrott die Raumfahrt gefährdet und was sich dagegen tun lässt

In den Erdorbits schwirren immer mehr Satelliten, Raketenteile und undefinierte Splitter umher. Die Raumfahrtunternehmen und -agenturen unternehmen bisher zu wenig, um Weltraumschrott zu vermeiden. Geschweige denn zu beseitigen.

Manche nennen sie mutig, andere dreist: die US-Firma Swarm Technologies. Das kalifornische Start-up wollte 150 Kleinsatelliten starten, aber die US-Frequenzaufsichtsbehörde FCC hatte 2018 etwas dagegen. Sie verweigerte ihre Erlaubnis mit der Begründung, die Satelliten seien zu klein, um sie per Messtechnik verfolgen zu können. Andere Satellitenbetreiber könnten deshalb nicht vor Kollisionen gewarnt werden. Swarm Technologies startete trotzdem und verbuchte damit den ersten unautorisierten, kommerziellen Satellitenstart der Geschichte.

Aus zwei Gründen sagt das Beispiel über die Raumfahrt sehr viel aus. Erstens haben Start-ups mit aggressiven Geschäftspraktiken offenbar nichts zu befürchten. Es gibt nur wenige Regeln, an die sich Satellitenbetreiber halten müssen, und die meisten davon könnten unverbindlicher kaum sein. Mittlerweile hat die FCC Swarm Technologies sogar rückwirkend die Lizenz erteilt.

Zweitens ist der Fall symptomatisch für ein wachsendes Müllproblem in der Raumfahrt. Dass niemand vor einer Kollision warnen kann, macht die Kollision wahrscheinlicher. Hinzu kommt eine überexponenziell anwachsende Zahl von Satelliten, die im Durchschnitt immer spärlicher getestet werden. Eine Kollision scheint nur noch eine Frage der Zeit.

China zielte auf seinen eigenen Satelliten – Volltreffer

Was dann passiert, hat die chinesische Regierung veranschaulicht, als sie im Januar 2007 mit einer bodengestützten Satellitenabwehrrakete ihren eigenen Wettersatelliten zum Explodieren brachte. „Wir sind gerüstet für Krieg im Weltall!“, sollte der Schuss wohl demonstrieren. Aber er ging nach hinten los, auch wenn es ein Volltreffer war. In der Folge schnellte die Zahl der Weltraumschrottobjekte sprunghaft in die Höhe. Diese und eine ungeplante Kollision zweier Satelliten vor elf Jahren haben annähernd die Hälfte der Schrottteilchen in den Erdorbits produziert.

Zwar sind die meisten der Schrottpartikel klein, aber sie bleiben gefährlich. Die durchschnittliche Geschwindigkeit, mit der zwei Objekte in einem erdnahen Orbit aufeinanderprallen, beträgt 11 km/s. „Das ist zehnmal schneller als eine Gewehrkugel“, sagt Holger Krag, Leiter des Büros für Weltraumsicherheit der europäischen Raumfahrtagentur ESA.

Unwetterwarnung

Die Spezialisten kennen heute 22 000 Objekte mit Namen. Diese sind tennisballgroß oder größer und würden einen Satelliten beim Aufprall pulverisieren. Krag vermutet in den erdnahen Orbits 1 Mio. Objekte mit einem Durchmesser von 1 cm und mehr, deren Aufprallenergie noch immer einem Pkw-Crash in eine Betonwand bei 50 km/h Fahrtgeschwindigkeit entspricht. Annähernd 150 Mio. Objekte haben demnach einen Durchmesser von mindestens 1 mm.

Schrott im Weltall vermehrt sich selbst: Das Kessler-Syndrom

Das Problem des schnellen Schrotts: Es droht eine Kollisionskaskade. Kessler-Syndrom nennen sie das in der Raumfahrtindustrie. Jede Kollision erzeugt neue hochenergetische Teilchen, die wiederum neue Kollisionen nach sich ziehen. Das ist das Horrorszenario. „Ganze Regionen im Weltraum wären dann unbrauchbar“, warnt Krag.

Eine Reihe von Faktoren entscheidet darüber, wie stark ein Orbit gefährdet ist. Großen Einfluss hat erstens die Bahnhöhe. Generell gilt: Je tiefer ein Objekt fliegt, desto eher entfernt es sich von allein, indem es in der Restatmosphäre abbremst, absinkt und schließlich verglüht. Ein Objekt in 400 km Höhe verbleibt ohne eigenen Antrieb nur etwa ein Jahr. Bei 600 km sind es schon 25 Jahre. Und oberhalb von 1000 km? „Bis in alle Ewigkeit“, sagt Krag. Nach menschlichem Maßstab.

Rotiere in Frieden

Risikofaktor Massenfertigung: Satellitenkonstellationen Starlink, Kuiper, Oneweb

Ein zweiter Risikofaktor sind große Produktionslose. Seit Mitte der 2010er-Jahre werden immer mehr sogenannte Megakonstellationen projektiert, große Schwärme von Satelliten, die mit den Methoden der Massenfertigung hergestellt werden. Diese Satelliten sollen vor allem eins sein: billig. Und deshalb wird nicht mehr jeder einzelne Satellit vollumfänglich getestet. SpaceX will mit seiner Starlink-Konstellation eine fünfstellige Zahl in die Erdorbits bringen. OneWeb plant mit 650 Satelliten, hält aber die Lizenzen für 2000. Und bei der Amazon-Konstellation Kuiper soll die Flotte 3236 Satelliten stark sein.

Solche Projekte spülen viele annähernd baugleiche Maschinen ins Weltall, wo sie jedem Zugriff entzogen sind. Stellt sich später heraus, dass es einen Produktionsfehler gegeben hat, betrifft dieser hunderte, wenn nicht tausende, von Satelliten. Auch jeder noch so kleine Designfehler könnte zum tausendfachen Risiko werden.

Satelliten und Raketenstufen ihrer Restenergie berauben

Schuld an der Kollisionsgefahr sind nicht allein die kleinen Konstellationssatelliten. „Die meisten Trümmer entstehen noch nicht durch Kollisionen, sondern immer noch durch Explosionen“, sagt Krag. Die Bedingungen in mehreren hundert Kilometern Höhe sind harsch: Die Temperaturen sind niedrig, die Strahlungsdosen hoch. Raketenstufen sind nicht für den jahrelangen Verbleib im Orbit ausgelegt, sondern für die kurze Zeit bis zum Aussetzen des Satelliten. Immer wieder kommt es zum Druckbersten von Tanks. In anderen Fällen mischen sich Treibstoff und Oxidator – mit fatalen Folgen.

Für Holger Krag gibt es nur eine Lösung: Alle ausgedienten Komponenten müssen passiviert – also all ihrer Restenergie beraubt – werden. Das bedeutet: Tanks müssen entlüftet, Drallräder abgebremst werden.

Zusätzlich braucht es Robustheit – zum Beispiel durch technische Redundanz – in der Entsorgungsphase von Satelliten. Denkbar ist ein Standardkit für das De-Orbiting, eine autonome Einheit samt Triebwerk, die noch angesteuert werden kann, wenn der Bordcomputer ausgefallen ist oder die Haupttanks vorzeitig erschöpft sind.

Weltraumagenturen wenig vorbildhaft

Jedes einzelne Schrottobjekt in den Orbits haben Menschen dorthin gebracht. Bis sich allerdings die Raumfahrtunternehmen und -agenturen standardmäßig um ihren Schrott kümmern, vergehen wohl noch Jahrzehnte. Bislang gehen nicht einmal die staatlichen Einrichtungen mit gutem Beispiel voran. „Es gibt bisher kaum Unterschiede zwischen institutioneller und kommerzieller Raumfahrt“, sagt Holger Krag von der zwischenstaatlichen Institution ESA. „Beide sind gleich schlecht.“

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Kein Wunder: Es gibt kein verbindliches internationales Regelwerk für die Beseitigung von Schrott aus den erdnahen Orbits. Das Weltraumrecht der UN stammt aus der Anfangszeit der Raumfahrt in den 1960er-Jahren und verpflichtet die Nationen zu fast nichts. „Veraltet und inadäquat im Bezug auf Weltraumschrott“, schreibt Anél Ferreira-Snyman, Juristin an der südafrikanischen Universität von Pretoria.

Relevant ist heute vor allem eine Zahl: 25 Jahre. Länger sollen Satelliten nach Betriebsende nicht im Orbit verbleiben. Allerdings ist dies keine Regel, sondern eine unverbindliche technische Empfehlung, die ein Expertengremium Ende der 1990er-Jahre aufgestellt hat.

Immerhin haben inzwischen einige Staaten eigene Weltraumgesetze, die deutlich über die UN-Abkommen hinausgehen. Deutschland hat noch kein Weltraumgesetz, soll aber eins bekommen.

Verbindliche Regeln fehlen: Unterirdische Entsorgungsquote bei Satelliten

Der Mangel an Regulatorik geht einher mit einer Abwesenheit von Sanktionen. Es ist deshalb auch nicht verwunderlich, dass die 25-Jahre-Empfehlung nicht stringent befolgt wird. Nach ESA-Angaben liegt die Entsorgungsquote bei gerade einmal 60 %. „Wenn wir mit dieser Rate trotz Megakonstellationen weitermachen, dann steuern wir auf eine Katastrophe zu“, sagt Holger Krag. „Wir rätseln, warum die Erfolgsrate so schlecht ist. Vielleicht liegt es daran, dass das Geld lieber für den eigentlichen Betrieb ausgegeben wird als für die Entsorgung.“ Das entspräche der Maxime, den Satelliten so lange zu betreiben bis er nicht mehr funktionsfähig ist. Dann aber ist es zu spät für ein De-orbiting.

Immer wieder werden technische Lösungen für die Beseitigung der Schrottpartikel aus den Orbits vorgeschlagen. Aber massentauglich – vor allem mit Blick auf kleinere Objekte – ist keine davon. Es werden wohl allenfalls einzelne Satelliten und Oberstufen aktiv aus ihren Umlaufbahnen entfernt. Am ehesten ist im Sonnensynchronen Orbit (SSO) damit zu rechnen, wo viele Erdbeobachtungssatelliten der Gewichtsklasse um 2 t unterwegs sind. „Bezahlbare Technologien für ein flächendeckendes Aufräumen im Orbit gibt es auf absehbare Zeit nicht“, sagt Enrico Stoll, Leiter des Instituts für Raumfahrtsysteme an der TU Braunschweig.

Ein Technologiedemonstrator für die Schrottentfernung ist die Clearspace-1-Mission der ESA. Sie soll ein italienisches Raketenteil einfangen und zum Absturz bringen. Der Start ist für 2025 geplant.

Tracking von Weltraumschrott: Vielfalt an Sensoren beobachtet die Objekte

Immerhin gibt es eine umfangreiche Datensammlung zum Weltraumschrott, 3D-Kataloge samt Bahndaten und Objektgrößen. Es gibt mehrere Sensortypen, mit denen man Satelliten und Weltraumschrott finden und beobachten kann. Dazu zählen bodengestützte Teleskope, Radare und Lasertracker.

Auf dem neuesten Stand der Technik ist beispielsweise das im Oktober eingeweihte Instrument Gestra bei Koblenz: ein quasi-monostatisches Radar. Das bedeutet, dass der Sender und der Empfänger voneinander getrennt sind, in diesem Fall liegen sie aber direkt nebeneinander. Das Radar ist phasengesteuert, die 256 Einzelstrahler je Antenne können einzeln angesteuert werden. Phasensteuerung funktioniert in einem großen, aber begrenzten Raumwinkelbereich. Gestra kann zusätzlich geschwenkt werden. Das Radar nutzt als Standardstrategie einen sogenannten Suchzaun: Die Einzelstrahler leuchten den Weltraum in Zeilen ab. Der Scan muss so schnell erfolgen, dass der Schrott nicht durch den Zaun fliegen kann ohne detektiert zu werden.

Einen anderen Ansatz verfolgt das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) mit seinem geplanten Observatorium MS-Lart. Mit einem 1,75-m-Laserteleskop wollen die Forscher die Bahnen von Satelliten bis hinunter auf 10 cm Größe vermessen. „Wir senden einen kurzen Laserpuls auf das Objekt und messen die Zeit bis Licht reflektiert wurde. Die Genauigkeit beträgt einige Meter, wenn wir Nanosekunden-Laserpulse verwenden“, schreibt Thomas Dekorsy, Direktor des DLR-Instituts für Technische Physik. Objekte könnten zudem auch „passiv optisch“ vermessen werden, während sie in der Dämmerungsphase von der Sonne angeleuchtet werden.

Mühsame Kartierung der Erdorbits

Mit dem Finden des Schrotts ist es allerdings nicht getan. Bislang unbekannte Objekte müssen zunächst so lange beobachtet werden, bis ihre Bahndaten hinreichend bekannt sind. Erst dann können sie in einen Bahndatenkatalog aufgenommen werden. Von nun an muss das Objekt immer wieder gefunden werden, damit es im Katalog verbleiben kann, als Faustregel einmal täglich. Ansonsten bestünde die Gefahr, dass die Bahndaten zu ungenau werden, da externe Störfaktoren die Bahn beeinflussen. Zu den Faktoren, die einen solchen Drift erzeugen, zählen: Reibung durch Restatmosphäre, Änderung der Eigenschaften der Restatmosphäre unter dem Einfluss der Sonnenstrahlung und Störungen durch Gravitationseffekte von Mond und Sonne. „Die Unsicherheiten würden sich aufaddieren“, sagt Manuel Metz, Gruppenleiter Weltraumlageforschung im DLR. „Wir müssen beständig nachaktualisieren, um den Katalog nutzbar zu halten.“

Hinzu kommt eine wachsende Zahl an satellitengestützten Überwachungssystemen, zum Beispiel auf dem kanadischen Sapphire-Satelliten und an Bord der Konstellation Space Based Space Surveillance der US-Luftwaffe. Die weltraumgestützte Beobachtung bietet eine Reihe von Vorteilen. Grundsätzlich haben die Messdaten eine höhere Güte als terrestrische Daten, da die Effekte der Erdatmosphäre allenfalls eine geringe Rolle spielen. Zudem kann das Instrument – je nach Orbit – immer von der Sonne wegschauen, sodass die zu beobachtenden Objekte immer hell erleuchtet sind.

Nicht in allen Orbits ist das Wissen gleich umfangreich. Eine große Lücke klafft zum Beispiel im erdnahen Orbit (LEO) im Bereich der Objekte mit 1 mm bis 10 cm Durchmesser. Ein europäisches Satelliteninstrument, das Airbus unter dem Arbeitstitel Space-based Optical Observation (SBOO) entwickelt, könnte diese schließen. „Um die Kenntnis zu verbessern, wie viele dieser sehr kleinen Teilchen sich im Orbit befinden, wollen wir bis auf 1 mm Teilchengröße herunter detektieren“, sagt Jens Utzmann von Airbus Defence & Space in Friedrichshafen. Das Ziel der Messungen liegt nicht darin, alle kleinen Teilchen zu katalogisieren, sondern die Verteilung der Objektgrößen und -geschwindigkeiten zu erfassen, um bestehende statistische Modelle zu verbessern. Die Finanzierung von SBOO steht noch aus und könnte auf der kommenden ESA-Ministerratskonferenz beschlossen werden. Aktuell zeichnet sich nach ESA-Angaben die Perspektive einer „hosted payload“ ab. SBOO würde also nicht auf einem eigenen Satelliten, sondern als Sekundärnutzlast auf einem anderen Satelliten fliegen.

Das Instrument könnte zusätzlich eine zweite Wissenslücke schließen, die sich im geostationären Orbit (GEO) auftut. Airbus sieht als Sekundärmission vor, einen Katalog aller GEO-Objekte mit mindestens 40 cm Größe zu erstellen. Dass der GEO noch vergleichsweise schwach vermessen ist, hat einen physikalischen Grund. Als Mess­instrumente eignen sich vor allem optische Teleskope, die aber jeweils nur einen kleinen Ausschnitt erfassen können. Wertvolle Messdaten kommen häufig von astronomischen Teleskopen. Diese belichten lange und haben deshalb die Möglichkeit, sogenannte HAMR-Objekte (high area to mass) wie Folien zu entdecken. Radar ist für GEO-Messungen eher ungeeignet. Die Energiedichte nimmt mit r^-2 ab, also quadratisch mit der Entfernung vom Sender. Da das Messsignal auch noch den den Weg zurück zum Empfänger nehmen muss, sinkt die Energiedichte insgesamt mit r^-4.

Katalog des US-Militärs ist die wichtigste Datenquelle

Die wichtigste Datenquelle ist der umfangreiche Katalog des US-Militärs. Von diesem existiert eine nicht klassifizierte Variante, die öffentlich zugänglich ist. „Das ist Grundlage des Raumfahrtbetriebs weltweit“, sagt Holger Krag von der ESA. Der Katalog speist sich aus einem Netzwerk terrestrischer Teleskope und Radaranlagen. Spionagesatelliten werden in der nicht klassifizierten Version nicht mitgeliefert. Lange Zeit galt das auch für alle Objekte, deren Herkunft ungeklärt war. Mittlerweile gebe das US-Militär aber mehr Daten heraus, sagt der DLR-Forscher Manuel Metz. Auch Russland führt einen Katalog, der allerdings nicht zugänglich ist.

Mit Leolabs gibt es mittlerweile sogar ein privatwirtschaftliches Unternehmen, das Weltraumschrottmessdaten kommerziell vertreibt. Das Unternehmen, in das auch Airbus Venture Capital investiert, betreibt Radare in Alaska, Texas und Neuseeland. Ein viertes Radar soll in Costa Rica gebaut werden.

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Acht europäische Länder, darunter Frankreich, das Vereinigte Königreich, Italien und Deutschland, streben einen eigenen Katalog an: Sie haben sich zu dem zwischenstaatlichen Konsortium EUSST zusammengeschlossen. Die darauf basierenden Dienste werden von der EU-Kommission mit insgesamt 70 Mio. € teilweise finanziert und allen EU-Mitgliedern kostenfrei zur Verfügung gestellt. Teil des Konsortiums können allerdings nur Staaten werden, die bereits über eigene Anlagen zur Weltraumüberwachung verfügen. Aus Deutschland fließen die Daten von Gestra und dem Fraunhofer-Forschungsradar Tira ein. Aktuell gibt es Pläne, mehrere gestra-artige Radare mit hunderten Kilometern Abstand miteinander zu verschalten. Dadurch kann zum einen die Detektionsempfindlichkeit erhöht werden, zum anderen nimmt die Bahngenauigkeit zu, da man – ähnlich wie bei einer Triangulation – die Objekte aus verschiedenen Richtungen anpeilt.