Weltraumverschmutzung: Wo wird eigentlich ein Satellit begraben?

Derzeit umkreisen ca. 36,500 Objekte, die größer als 10 cm sind, die Erde im niedrigen Orbit. Unter diesen befinden sich in etwa nur 2.000 funktionsfähige Satelliten.
Zu den restlichen Objekten zählen Schrott und Abfallstücke von unterschiedlicher Größe. Die Bezeichnung Weltraumschrott gilt in der Regel für Raketenreste, ausgefallene und ausgediente Satelliten sowie deren Fragmente.

Doch bei dieser Art von Schrott handelt es sich nicht einfach nur um Müll, sondern um gefährliche Gegenstände, die sowohl für die ISS und aktive Satelliten, als auch für die Zukunft der Weltraumerforschung eine potenzielle Gefahr darstellen. Letztendlich betrifft diese Thematik also uns alle. Was genau es mit der Weltraumverschmutzung auf sich hat, erfahrt ihr hier!

Ursachen der immensen Weltraumverschmutzung

Im Februar 2009 passierte es zum allerersten Mal: die erste Satellitenkollision in der Erdumlaufbahn. Die Kommunikationssatelliten Iridium 33 und Kosmos 2251 befanden sich in knapp 800km Höhe, als sie mit einer Relativgeschwindigkeit (= die Differenz der Geschwindigkeiten beider Objekte) von 11,6km/s (das sind fast 40.000 km/h !) aufeinandertrafen.

Dabei entstanden zunächst zwei Trümmerwolken, bestehend aus mehr als 100.000 Bruchstücken, die sich innerhalb weniger Stunden weit ausbreiteten. Alle dieser Objekte sind groß genug, um jahrzehntelang im Orbit zu bleiben und im Falle weiterer Kollisionen mit anderen Satelliten und Raumfahrzeugen gravierende Schäden zu bewirken.

Bereits mehrmals musste die ISS Ausweichmanöver fliegen, um einer Kollision mit den abgesunkenen Fragmenten auszuweichen und einen möglicherweise fatalen Impakt zu verhindern.

Diese Zunahme der Trümmerstücke im erdnahen Orbit lässt sich durch das sog. Kessler-Syndrom bzw. den Kessler-Effekt nach Donald J. Kessler beschreiben. Bereits im Jahr 1978 warnte er vor den zukünftigen Risiken für die Raumfahrt, verursacht durch die steigende Menge des Weltraumschrotts.

Das Kessler-Syndrom

Zusammenstöße sowohl zwischen kleinen Objekten als auch zwischen großen sind zwar eher unwahrscheinlich, jedoch nicht so sehr zwischen großen und kleinen Objekten. Kollisionen dieser Art haben einen sich selbst verstärkenden Kaskadeneffekt zur Folge, der zu einem exponentiellen Anstieg der Anzahl der Fragmente führt.

Denn jeder einzelne Zusammenstoß von Weltraumschrott erzeugt ein Vielfaches an Schrott, was die Gefahr weiterer Kollisionen konstant erhöht.

Kesslers Prognosen zufolge würde das in etwa 100 Jahren aufgrund des zu hohen Kollisionsrisikos ein Aus für die Raumfahrt und auch den Satellitenbetrieb in bestimmten Bahnhöhen bedeuten.

Mittlerweile wird bereits von etwa 500.000 Objekten mit einer Mindestgröße von 1 cm sowie 100 Millionen Fragmenten, die kleiner als 1 cm groß sind, ausgegangen. Insgesamt umrunden bereits 700.000 Tonnen “Weltraum-Müll” die Erde…

“Ein Zentimeter oder kleiner, was können solche Teilchen schon anrichten?”, mag sich der eine oder andere nun denken. Bedenkt man aber die hohen Geschwindigkeiten dieser Trümmerstückchen, die meist mehr als 700 bis 800 km/s betragen und oft mit einer Relativgeschwindigkeit von über 15 km/s kollidieren, stellen auch solche “Winzlinge” eine riesige Gefahr dar.

Zur Veranschaulichung: Ein nur 10 cm großes Fragment besitzt bereits genug kinetische Energie, um einen Satelliten in Stücke bersten zu lassen. Das entspricht 7 kg Dynamit.

Zahlreiche Fenster von Raumschiffen mussten bereits ausgetauscht werden, „nur“ weil sie winzig-kleine Teilchen im Millimeterbereich beschädigt hatten.

Mutwillige Orbit-Verschmutzung: Antisatellitenwaffen

Man möchte nun meinen, dass ausschließlich zufällige Zusammenstöße zur exponentiellen Vermüllung des Orbits beitragen – leider ist dies keineswegs so.

Im Zuge der Testungen von sog. “Antisatellitenwaffen” werden eigene, in der Regel funktionsuntüchtige bzw. ausgediente Satelliten abgeschossen, um die Zielgenauigkeit und korrekte Funktionsweise der Antisatellitenwaffen zu überprüfen.

Die Intention dahinter: Das Finden und die zielgenaue Zerstörung eigener Satelliten ermöglicht es auch, gegnerischer Himmelskörper, v.a. Spionagesatelliten - deren Destruktion von großem militärischem Interesse sein kann - abzuschießen.
Ob dies eine zukünftige Ausbreitung militärischer Auseinandersetzungen ins All bedeutet, bleibt abzuwarten. Die schiere Möglichkeit ist jedoch äußerst problematisch im Hinblick auf die zahlreichen essentiellen Funktionen, die Satelliten innehalten (s. u.).

Bereits im Jahr 1985 wurde bei einem Waffentest der USA ein Satellit durch die von einem Kampfjet aus gestartete Anti-Satelliten-Rakete Vought ASM-135 abgeschossen.
Da sich der Satellit „nur“ auf 600 Kilometer Höhe befand, verglühten die letzten Teilchen „bereits“ 15 Jahre nach der Kollision. Doch nur 200km höher, verzehnfacht sich diese Dauer bereits.

Und genau in dieser Höhe etwa – 850km - , sorgte China im Jahr 2007 durch einen Waffentest/Raketentest mutwillig für ganze 150.000 neue Trümmerstücke im Weltraum. Zerstört wurde dabei der ausgediente Fengyun-1C-Wettersatellit, der sich in der wichtigsten und geschäftigsten Umlaufbahn für die Erdbeobachtung befand.
2018 entsprachen die Folgen dieses Abschusses zusammen mit der ersten Satellitenkollision aus dem Jahre 2009 einem Drittel des gesamten katalogisierten Weltraummülls.

Auch Russland leistete im Jahre 2021 seinen Beitrag zur „Müllhalde Weltall“: Der Abschuss des eine Tonne schweren, landeseigenen Satelliten Zelina-D verursachte über 1500 nachverfolgbare Trümmerteile. Getestet wurde hierbei eine laserbetriebene Anti-Satelliten-Rakete des Typs A-235 PL-19.
Diese Bruchstücke werden in den nächsten Jahren und Jahrzehnten in Hunderttausende kleiner Trümmer zerfallen. Auch Menschenleben wurden gefährdet: Nach der Satellitenzerstörung mussten Teile der ISS für den Fall einer Kollision zeitweise evakuiert werden – an Bord auch russische Astronauten.

„RORSATs“: Uran im All

Nicht nur mögliche Kollisionen des Weltraumschrotts mit der ISS oder Zerstörungen wichtiger Satelliten stellen mögliche schwerwiegende Konsequenzen der Verschmutzung des Alls dar.

Bis 1989 schickte die Sowjetunion insgesamt 31 radargestützte Satelliten, die Kernreaktoren mit sich trugen und mit hoch angereichertem Uran 235 betrieben wurden, zur Überwachung des Ozeans ins All.

Heute geistern 29 dieser 31 radioaktiven Militärspäher auch nach Einsatzende immer noch im All herum. Deren Reaktorkerne wurden zwar erfolgreich in höhere Bahnen (sog. Friedhoforbits) manövriert; doch der Aufenthalt in diesen Orbits, die sich in etwa 900 bis 1000 km Höhe befinden, ist nicht endgültig.

Ohne weitere Maßnahmen kehren diese äußerst radioaktiven Objekte nach mehreren hundert Jahren langsam wieder in die Erdatmosphäre zurück - ohne ein signifikantes Absinken der Radioaktivität.

Doch das ist nicht einmal das größte Problem: Mit genereller Zunahme an “Weltraummüll” (nach dem Kessler-Effekt), steigt auch die Gefahr, dass diese Reaktoren getroffen werden, was zwar für die Erde keine direkte Gefahr in Form eines radioaktiven Fallouts darstellen würde, jedoch für die dort gelegenen Friedhoforbits.
Durch eine Kollision könnten diese laut internationalen Verträgen nicht mehr als sicher gelten und neue Orbits, die noch höher liegen, müssten festgelegt werden.
Durch den finalen Aufstieg zu höheren Friedhofen steigt die Menge an für den Weg benötigten Treibstoff an, was ein zusätzliches Kürzen ihrer Missionen bedeuten würde.

Die Alleskönner: Satelliten

Warum ein Aus für die Verwendung von Satelliten durchaus problematisch für uns wäre, zeigt sich in den vielfältigen Aufgabenbereichen dieser: egal ob für Wettervorhersagen, GPS, der weltweiten Warenlogistik, Satellitenfernsehen und die globale Telekommunikation – Satelliten sind in unserer modernen Zeit unverzichtlich.

Lösungsansätze

Genauso wie auf der Erde, muss es für das Weltall präventive Gesetzgebungen und Techniken hinsichtlich der Umweltverschmutzung geben. Außerdem braucht es natürlich funktionstaugliche Technologien und Strategien zur Müllbeseitigung.

Müllbeseitigung & Überwachung

Laserstrahlen gegen Schrott im All

Eine Möglichkeit der Müllentsorgung im All stellen „Lasersysteme“ dar. Ziel derer ist es, Weltraumschrott per Hochleistungslaser zu eliminieren. Dabei könnte die Geschwindigkeit der Objekte so sehr verringert werden, dass sie in die Erdatmosphäre absinken, wo sie verglühen können.

Weiterhin könnte eine solche Lasertechnologie dafür eingesetzt werden, die Flugbahn von Fragmenten auf Kollisionskurs um einige Meter abzuändern und so einen Impakt zu verhindern. Ausgereift sind solche Technologien jedoch noch nicht.

In der Praxis liegt der Fokus solcher Laserstrahlen jedoch erst einmal auf der genauen Identifikation, Ortung sowie der Bahn-Vorhersage von Weltraummüll. Die derzeit dafür eingesetzten Teleskope und Radare liefern nämlich meist relativ unpräzise Daten darüber, ob sich ein Objekt auf Kollisionskurs befindet oder nicht.

Im Jahr 2018 konnte jedoch bereits ein erfolgreiches Experiment mit dem Satelliten „Remove Debris“ durchgeführt werden. Bei diesem wurde mithilfe eines Netzes ein kleiner Flugkörper in niedriger Erdumlaufbahn, ein sog. Cubesat-Kleinsatellit, kontrolliert zum Abstürzen gebracht.

Roboterarme als Müllentsorger

Die Mission ClearSpace-1 hat es zum Ziel, erstmals ein Stück Weltraummüll, genauer gesagt, ein 112kg schweres Raketenfragment, mithilfe eines vierarmigen Greifarms zu entsorgen, indem dieser den Schrott festhält und zum Verglühen in die Erdatmosphäre hinunterzieht. Geplant ist die Durchführung dieser Mission für 2026.

Weltraumbeobachtungsradare

Das Amerikanische Space-Surveillance Network (US SSN) kann Objekte im All ab einer Größe von 10cm orten. Etwa 13.000 Objekte im All werden derzeit von diesem Netzwerk verfolgt. So können Satellitenbetreiber, wenn nötig, ein Ausweichmanöver fliegen, um Kollisionen mit registrierten Fragmenten zu vermeiden.

Führend unter den Weltraumbeobachtungssytemen außerhalb der US, ist TIRA (Tracking and Imaging Radar), welches aus zwei Radarsystemen besteht, die sowohl hochpräzise Zielverfolgung, als auch hochauflösende Abbildungen der Objekte im Weltall garantieren.

Präventionsarbeit: Vorbeugen ist besser als heilen

Verglühen in der Erdatmosphäre

Satelliten und andere vom Menschen konzipierte Himmelskörper werden so konstruiert, dass sie absinken und Kurs auf die Erde nehmen, sobald sie außer Betrieb sind. Während des freien Falls in der Atmosphäre verglühen sie durch die dabei entstehende Reibung entweder direkt oder innerhalb eines Zeitraums von maximal 25 Jahren und können so den Orbit nicht weiter verschmutzen.

Diese Methode eignet sich jedoch nur für Satelliten mit niedrigen Umlaufbahnen unter 600 km, in sog. LEOs (Low Earth Orbits).

Für höhere Umlaufbahnen innerhalb der LEOs (600 bis max. 1000 km Höhe) sind zusätzliche Maßnahmen in Form von sog. De-Orbiting-Systeme notwendig, die den betroffenen Satelliten ein kontrolliertes Absinken ermöglichen.

Hierbei wird zwischen aktiven und passiven Systemen unterschieden.

Mithilfe aktiver De-Orbiting-Syteme kann die Laufbahn eines Satelliten durch kontrollierten Gausaustritt aus Steuerdüsen bis zu dem Punkt abgesenkt werden, dass dieser erfolgreich in der Erdatmosphäre verglüht.
Problematisch an solchen aktiven Systemen ist jedoch der hohe Kostenpunkt, der vor allem durch ihr zusätzliches Gewicht und die damit verbunden erhöhten Launch-Kosten bewirkt wird; besonders in Bezug auf kleinere Satelliten.

Passive De-Orbiting-Systeme sollen nun Abhilfe schaffen, die kostengünstiger, leichter und zugleich platzsparend sind - was weniger Treibstoffbedarf bedeutet. Sie können das Fläche/Gewichts-Verhältnis von Satelliten so weit erhöhen, dass sie in der dünnen Erdatmosphäre nach Missionsende wie ballonartige Bremssegel wirken.
Erfolgreich erprobt wurde dieser Wirkmechanismus zum Beispiel bereits durch das IDEAS (Innovative DEorbiting Aerobrake System) der französischen Weltraumorganisation CNES (Centre National d’Etudes Spatiales).

Friedhöfe des Weltraums

Für erdsynchrone Satelliten in höheren Umlaufbahnen (sie befinden sich im sog. GEO, dem „geostationary orbit“, auf einer Höhe von 35.786km) sind andere Maßnahmen der Beseitigung nötig: Der GEO ist für den Aufenthalt von Satelliten sehr begehrt, doch das Abdriften in niedrigere Orbits ist keine Option, da Satelliten auf ihrem Weg abwärts eine große Gefahr für andere Himmelskörper darstellen würden.

Nach Einsatzende werden solche Satelliten in sog. Friedhofsorbits endgelagert. Diese Orbits liegen in der Regel über den regulären Orbits der geostationären Himmelskörper, meist auf einer Höhe von ca. 300km.
Mittels integriertem und eingeplantem Treibstoffs werden die ausgedienten Satelliten in die Höhe des Friedhofsorbits eingeschossen, wo sie nach erfolgreichem Ablass allen Resttreibstoffs sowie dem Entladen der Batterien (diese werden entladen, um einem möglichen Zerfall durch unkontrollierte Energiefreisetzung entgegenzuwirken), im besten Fall bleiben.

Die Rechtslage im All

Generell zuständig hierfür sind seit den 1950er Jahren die Vereinten Nationen, genauer gesagt ein Weltraumausschuss dieser, der aus zwei Unterausschüssen besteht: ein wissenschaftlich-technischer sowie ein Rechtsunterausschuss.

Problematisch jedoch ist, dass es genau von diesem Ausschuss seit etwa 40 Jahren keine Angaben zu verbindlichen Regelungen mehr gibt, was es den einzelnen Staaten möglich macht, sich ohne Verbindlichkeit auf die sog. „rechtsunverbindlichen Resolutionen der Generalsversammlung der UN“ zu bekennen. Einen Plan, verbindliches Recht zu schaffen, gibt es derzeit nicht.

Das Völkerrecht gilt auch im All

Artikel 39 der UN-Charta gilt nicht nur auf dem blauen Planeten. Auch im All heißt es: Ein absichtlicher Angriff auf den Besitz eines anderen Landes wird als kriegerischer Akt gewertet und löst das Recht zur Selbstverteidigung aus.

Weltraumrecht und Weltraumvertrag

Jeder Satellit, der als „Weltraumobjekt“ gilt, muss in einem nationalen Register aufgenommen werden. Die entsprechenden Informationen werden dann an die Vereinten Nationen weitergeleitet, um sicherzustellen, dass verfolgt werden kann, was für ein Objekt sich im Weltraum befindet.

Jedoch sind die Richtlinien, was solch ein Weltraumobjekt sein darf und welche Informationen genau an die UN weitergegeben werden müssen unterschiedlich und hängen vom jeweiligen Staat ab.

Zum Beispiel stellt Artikel 6 des Weltraumvertrages lediglich den Anspruch, dass jeder private Start eines Objektes in das Weltall durch den entsprechenden Staat genehmigt werden muss - Er legt aber nicht fest, unter welchen Bedingungen solch eine Genehmigung freigegeben werden kann.
Die Gefahr, dass dabei teure Sicherheitsstandards zugunsten finanzieller Einsparversuche auf der Strecke bleiben, liegt auf der Hand.

Diese rechtliche Unverbindlichkeit bezieht sich natürlich auch auf die Entsorgung: Es gibt zwar Verhaltensmaßregeln, jedoch keine Sanktionen bei Verstößen.

Auch die Nutzung der bereits thematisierten Antisatellitenwaffen ist nach wie vor erlaubt.

Regelungen im Hinblick auf verbindliche Vorgaben zu genauen Umlaufbahnen, der exakten Zeit des Eintreffens/Verlassens von Satelliten im Weltraum gibt es ebenfalls noch nicht.

Ein kleiner Lichtblick

Die einzige positive Nachricht ist ein neues Gesetz der US-Kommunikationsbehörde FCC. Dieses legt eine Verschärfung der Maximaldauer bis zum Abstürzen von Satelliten nach Missionsende von 25 auf 5 Jahre fest. Grund dafür sind aktuelle Forschungen, die aufzeigen, dass die 25 Jahresgrenze seit geraumer Zeit in nur etwa 30-40% der Missionen eingehalten wird.