SpaceDebris

Derzeit befinden sich schätzungsweise insgesamt 250 Millionen vom Menschen geschaffene Objekte mit einem Durchmesser größer als einem Millimeter in Umlaufbahnen um die Erde. Aufgrund der hohen Relativgeschwindigkeiten stellen selbst kleinste Objekte eine Gefahr für die bemannte und die unbemannte Raumfahrt dar. Schlägt ein Weltraummüllobjekt auf einem Satelliten ein, so kann dies zur Beeinträchtigung seiner Funktion bzw. zum Totalausfall führen. Somit stellt Weltraummüll ein wirtschaftliches Risiko für den Satellitenbetreiber dar. Für Raumfahrtagenturen bzw. Satellitenbetreiber ist es wichtig das Gefährdungspotential durch Weltraummüll zu kennen. Daher wurde am Institut für Raumfahrtsysteme im Auftrag der ESA das MASTER Modell (Meteoroid and Space Debris Terrestrial Environment Reference Model) entwickelt.

 

Einen wesentlichen Forschungsschwerpunkt am Institut für Luft- und Raumfahrtsysteme der TU Braunschweig bildet die Modellierung der Bewegung und Verteilung aller künstlichen Objekte auf Erdumlaufbahnen (Weltraummüll). Auf diesem Gebiet wurde in der jüngeren Vergangenheit intensiv im Rahmen des Projektes MASTER gearbeitet. MASTER ist das europäische Modell zur Abschätzung des Risikos durch Hochgeschwindigkeitseinschläge von Raumfahrt-Rückständen auf Satelliten. MASTER wurde unter der Leitung des Institutes für Raumfahrtsysteme in Zusammenarbeit mit mehreren europäischen Partnern im Auftrag der ESA entwickelt. MASTER liegt ein sehr komplexes Modell der Weltraumumgebung zugrunde, um die räumliche Dichte und die Geschwindigkeitsverteilung der Weltraummüllobjekte einschließlich natürlicher Meteoriten zu bestimmen.

 

Quellen und Senken von Weltraummüll

 

 

Fragmente aus Explosionen stellen für viele der von der Raumfahrt genutzten Umlaufbahnen den Teil der Weltraummüll-Population mit der höchsten räumlichen Dichte und somit dem höchsten Gefährdungspotential dar. Solche Objekte entstehen durch unbeabsichtigte Explosion der Resttreibstoffe in ausgebrannten Raketenoberstufen, durch chemische Reaktionen in nicht entladenen Batterien und durch in der Vergangenheit häufig durchgeführte gezielte Sprengungen ausgedienter militärischer Satelliten.

 

Weitere wichtige Quellen für Weltraummüll sind Schlacke und Staub aus Feststofftriebwerken. Gebräuchliche Feststofftriebwerke für die Anwendung in der Raumfahrt enthalten als Zusatz zur Verbesserung des Wirkungsgrades und zur Verringerung von Instabilitäten beim Abbrand ca. 18 Prozent Aluminium. Während des Abbrandes wird dieses Aluminium zu Alumiumoxid. Am Ende des Abbrandes entstehen daraus Schlacketeilchen, die einen Durchmesser bis zu 6 Zentimetern haben können. Während des gesamten Abbrandes entstehen außerdem Staubteilchen mit einem Durchmesser bis in den Zentimeterbereich.

 

Am Institut durchgeführte Simulationen haben gezeigt, dass weitreichende Maßnahmen zur Vermeidung und Minimierung der Weltraummüll-Entstehung dazu geeignet sind, die Weltraummüll-Dichte auch in der Zukunft konstant zu halten bzw. in einigen Umlaufbahnen sogar abzusenken. Außerdem haben die Simulationen gezeigt, dass es ohne jegliche Vermeidungsmaßnahmen durch vermehrte Kollisionen zwischen Weltraummüllobjekten zu einem sogenannten Kaskadeneffekt kommen würde, der die Weltraummülldichte rapide ansteigen ließe und Raumfahrt unmöglich machen würde. Um dies zu verhindern, können folgende Maßnahmen durchgeführt werden:

 

  • Reduzierung der missionsbedingten Objekte (Verschlüsse, Raketenteile, Abdeckkappen)

  • Vermeidung von Explosionen von Raketenoberstufen und durch gezieltes Ablassen der Treibstoffe und Entladen der Batterien am Ende des Einsatzes

  • Entfernen von nicht mehr benötigten Oberstufen und Satelliten am Ende der Mission

Der Weltraummüll befindet sich hauptsächlich auf niedrigen Umlaufbahnen, einige hundert Kilometer über der Erde und auf der geostationären Umlaufbahn. Die geostationäre Umlaufbahn wird auch als GEO oder 24-Stundenbahn bezeichnet und liegt in 36.000 Kilometern Höhe über dem Äquator. Weltraummüllteile auf niedrigen Erdumlaufbahnen haben eine Geschwindigkeit von ungefähr 7 Kilometern pro Sekunden. Wenn sich ein Weltraummüllobjekt und ein Satellit zufällig treffen, betragen die Kollisionsgeschwindigkeiten durchschnittlich 10 Kilometer pro Sekunde. Weltraummüllobjekte mit einer Größe von einem Millimeter können ein Raumfahrzeug beschädigen. Weltraummüllobjekte von einem Zentimeter Durchmesser können ein Raumfahrzeug außer Funktion setzen. Zentimeterobjekte durchdringen jede Raumschiffwand, auch wenn diese zum Schutz mit Mehrfachwänden umgeben ist. Momentan ist das Risiko für Kollisionen mit Weltraummüll bezogen auf einzelne Missionen noch nicht dramatisch. Es ist jedoch erforderlich, möglichst schnell weitgehende Maßnahmen zur Weltraummüll-Vermeidung zu ergreifen, auch wenn diese einen geringen Anstieg der Missionskosten nach sich ziehen. Ein unkontrolliertes Anwachsen der Weltraummüll-Population könnte damit verhindert werden.

 

Beiträge zum Weltraummüll

Weltraummüll besteht aus künstlichen Objekten verschiedener Größe, Zusammensetzung und Herkunft (siehe Abbildung 1). Der bekannteste Beitrag zum Weltraummüll besteht aus ausgedienten Satelliten, missionsbedingten Objekten und Fragmenten von zahlreichen Explosionen und wenigen Kollisionen.

 

 

 

 

Abbildung 1: Objekte im erdnahen Weltraum aufgeschlüsselt in die verschiedenen Beiträge zum Weltraummüll einschließlich Meteoriten

 

Unter missionsbedingten Objekten versteht man Bauteile, wie z. B. Spannbänder, Sprengbolzen und Abdeckkappen, die bei operationellen Vorgängen, wie Stufentrennung oder Inbetriebnahme von optischen Sensoren und Triebwerken auf Erdumlaufbahnen freigesetzt worden sind. Ein Teil des Weltraummülls, insbesondere der auf niedrigen Umlaufbahnen ab einer Größe von 10 Zentimetern, kann von der Erde aus kontinuierlich mit Radaranlagen verfolgt werden. Die Bahnen dieser Objekte werden vermessen.

Deren Bahnelemente, die sog. "Two Line Elements" (TLE), werden in einem vom "United States Strategic Command" herausgegebenen Katalog veröffentlicht. Dieser Radarkatalog enthält alle Objekte, deren Umlaufbahnen bekannt sind. Das sind zur Zeit etwa 17.000 Objekte. Man schätzt, dass sich die Gesamtzahl aller Objekte mit einem Durchmesser größer als 10 Zentimeter in allen Bahnhöhen bis hin zur geostationären Bahn auf etwa 29.000 beläuft. 

Neben dem oben genannten Weltraummüll besteht ein Beitrag in Flüssigmetalltropfen, die aus einer Legierung von zwei Alkalimetallen, Natrium und Kalium (NaK), bestehen. Die flüssige Natrium-Kalium-Legierung ist aus Kernreaktoren ausgetreten, in denen sie als Kühlmittel eingesetzt wurde. Natrium-Kalium-Tropfen sind nur zwischen 1980 bis 1988 freigesetzt worden. Sie haben eine Größe von bis zu 5,5 cm. Simulationsrechnungen zeigen, dass kleine Tropfen mit einem Durchmesser von wenigen Millimetern abgestiegen sind und sich heute nicht mehr im Weltraum befinden.

Ein weiterer Beitrag zum Weltraummüll besteht in Schlackepartikeln, die aus Feststoffraketenmotoren ausgetreten sind. Sie bestehen zu einem großen Anteil aus Aluminiumoxid (Al2O3). Neben den Schlackepartikeln tritt noch ein sehr feiner Al2O3-Staub aus den Feststofftriebwerken aus.

Zu den Kleinstpartikeln des Weltraummülls gehören neben dem Al2O3-Staub die sog. "Ejecta" und Farbpartikel. Ejecta sind Auswurfpartikel, die beim Einschlag kleiner Objekte auf Oberflächen entstehen. Die Ablösung von Farbpartikeln ist eine Folge von Oberflächenalterungsprozessen, die durch atomaren Sauerstoff, die Aufheizung in der Sonne sowie die Wirkung der Solarstrahlung hervorgerufen werden. Dies kann zur Ablösung von Kleinstpartikeln führen, wie z. B. Farbpartikeln oder auch Stücken von Mehrschichtisolation.

Cluster aus kurzen dünnen Kupferdrähten wurden bei zwei Experimenten im Rahmen des West Ford Projektes in den frühen sechziger Jahren auf Umlaufbahnen nahe 3.600 km Bahnhöhe freigesetzt. Die Drähte sollten als Dipolantennen dienen und werden auch als "West Ford Needles" bezeichnet. Die Entstehung von Clustern, d. h. zusammenhängenden Nadelklumpen, war eine unerwünschte Begleiterscheinung der Freisetzungsvorgänge. Der Beitrag der Cluster zur Weltraummüllpopulation ist sehr gering.

 

Simulation der Weltraummüllverteilung

Die Beschreibung der orbitalen Gesamtpopulation aufgrund von Messdaten erscheint zunächst am solidesten, weil in diesem Fall handfeste gemessene Sachverhalte zugrunde liegen. Jedoch liegen zeitlich kontinuierliche Messungen nur für die Objekte größer als 10 Zentimeter vor, die mit Hilfe von irdischen Radaranlagen beobachtet werden können. Diese Objekte sind in einem Radarkatalog verzeichnet. Dagegen wurde die Verteilung kleinerer Objekte nur sporadisch gemessen. Messdaten wurden bspw. während spezieller Radarmesskampagnen oder aus der Analyse von Einschlägen auf zur Erde zurückgeführter Satelliten-Hardware gewonnen. Die Populationen kleinerer Objekte sind immer nur punktuell für bestimmte Zeitpunkte und spezielle Bahnhöhen bestimmt worden. Dazwischen klaffen zeitlich und räumlich große Lücken. Das Entstehen und Vergehen orbitaler Objekte, ihre zeitliche und räumliche Verteilung ist jedoch ein dynamischer Prozess, der durch Einzelmessungen nicht ausreichend beschrieben wird. Deshalb wird dieser Prozess durch ein mathematisches Modell auf dem Computer umfassend simuliert, und die Messdaten dienen zur Stützung dieses Modells. Das Modell beruht auf der Simulation von Ereignissen, bspw. Explosionen von Raumfahrzeugen, bei denen Weltraummüll erzeugt wurde. Bei der Simulation werden Wolken von Objekten generiert und den einzelnen Objekten Bahnelemente zugeordnet. Die unterschiedlichen Umlaufbahnen der simulierten Objekte werden dann unter Berücksichtigung von Bahnstörungen bis zu einem bestimmten Zeitpunkt, der sog. Referenzepoche, fortgerechnet.

 

Gefahr durch Weltraummüll

Das Risikopotential des Weltraummülls besteht in der hohen kinetischen Energie, welche infolge der hohen Geschwindigkeiten, die bei Kollisionen auftreten können, freigesetzt wird. 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.

 

Flüssigmetalltropfen im All

  

Flüssigmetalltropfen sind beim Einsatz von Kernreaktoren in den achtziger Jahren freigesetzt worden. Diese Reaktoren mit der russischen Bezeichnung "Buk" (zu deutsch "Buche") wurden zur Erzeugung elektrischer Leistung an Bord von Radar-Ozeanüberwachungssatelliten des Typs RORSAT eingesetzt. Nach dem Ende ihres Betriebes wurden die Reaktoren meistens auf höhere Umlaufbahnen zwischen 900 bis 950 Kilometern Bahnhöhe gebracht, um dort zu verbleiben. Nach Erreichen dieses Orbits wurde der nukleare Brennstoff von dem Reaktor getrennt und in den Weltraum abgestoßen. Dabei öffnete sich der Reaktorbehälter und stieß den Reaktorkern, bestehend aus einem kleinen Paket von 37 Uranbrennstäben, in den Weltraum hinaus. Insgesamt haben 16 Kernabstoßungen stattgefunden. Die mit der Reaktorkernabstoßung verbundene Öffnung des Reaktorbehälters hatte zur Folge, dass auch der primäre Kühlkreislauf geöffnet wurde. Der Reaktorbehälter und der Kühlkreislauf stehen unter Druck, der sich bei der Öffnung des Behälters vermutlich schlagartig abbaut. Die im Primärkreislauf enthaltene Kühlflüssigkeit, eine Natrium-Kalium-Flüssigmetalllegierung (NaK), konnte durch diesen Vorgang in den Weltraum entweichen. Dort entstanden kugelförmige Tropfen, die sich noch heute im All befinden. Die Tropfen können unter Weltraumbedingungen existieren, da die verwendete Flüssigmetalllegierung eine sehr niedrige Verdampfungsrate aufweist. Natrium-Kalium-Tropfen sind nur zwischen 1980 und 1988 freigesetzt worden. 

Die Tropfen treten in einem schmalen Höhenband gehäuft auf. Die Flüssigmetalltropfen finden sich noch heute nur auf Umlaufbahnen nahe 900 Kilometern Höhe. Die meisten anderen Beiträge zum Weltraummüll sind dagegen in allen Höhenbereichen, bis hin zur geostationären Bahn anzutreffen. 

 

Kupfernadeln im All

Mehrere Hundertmillionen kurze dünne Kupferdrähte wurden bei zwei Experimenten im Rahmen des West Ford Projektes in den frühen sechziger Jahren auf Umlaufbahnen nahe 3.600 Kilometern Bahnhöhe freigesetzt. Die Drähte sollten als Dipolantennen dienen und werden auch als "West Ford Needles" bezeichnet. Das Ziel des West Ford Projektes bestand in der Erzeugung eines Gürtels aus Dipolantennen um die Erde, um Radiowellen zu reflektieren. Diese Experimente dienten der Nachrichtenübertragung. Die Entstehung von Clustern, d. h. zusammenhängenden Nadelklumpen, war eine unerwünschte Begleiterscheinung der Freisetzungsvorgänge. Für die Experimente wurden Umlaufbahnen gewählt, bei denen der Solardruck den erdnächsten Punkt der jeweiligen Umlaufbahn, das sog. Perigäum, kontinuierlich verringert, bis die Dipole die oberen Schichten der Atmosphäre erreichen und wiedereintreten. Diese feine Abstimmung der Lage der Umlaufbahn zur Richtung der Sonne bezeichnet man als Resonanz. Die Resonanzbedingung ist nur auf ganz bestimmten Umlaufbahnen erfüllt. Die Verklumpung der Nadeln reduzierte allerdings das Flächen-zu-Massen-Verhältnis (A/m) der Objekte. Dadurch fiel die Wirkung des Solardruckes auf das Abstiegsverhalten der Cluster deutlich geringer aus als ursprünglich geplant. Infolge dessen erhöhte sich die orbitale Lebensdauer der Cluster, so dass viele Objekte der Freisetzungsexperimente heute noch im All sind und einen Beitrag zum Weltraummüll leisten. Durch Simulationsrechnungen konnte gezeigt werden, dass die Cluster des ersten Experimentes sehr hohe orbitale Lebensdauern aufweisen. Die Gesamtmasse aller Cluster im Weltraum wird auf ungefähr 60 Gramm geschätzt. Die Gesamtzahl der Cluster umfasst etwa 40.000 Objekte, die insgesamt ca. 750.000 Nadeln enthalten. Die Nadeln sind hauchdünn und haben eine Länge von etwa 2 Zentimetern.

Als wesentliche Gründe für die Langlebigkeit einiger Cluster sind zwei Ursachen identifiziert worden. Dies sind die Verringerung des A/m-Verhältnisses durch das Auftreten kompakter Komponenten infolge der Verklumpung einiger Nadeln und im Falle des ersten Experimentes der Einschuss des Satelliten in einen falschen Orbit, auf dem die Resonanzbedingung nicht erfüllt ist. Es kann erwartet werden, dass die meisten Cluster des ersten Experimentes für lange Zeit im Orbit verbleiben werden. Der Beitrag der Cluster zum Weltraummüll ist vernachlässigbar gering. Allerdings können die feinen Kupferdrähte lange Ketten bilden, die für irdische Radaranlagen gut sichtbar sind.