Der Weltraumschrott nimmt von Tag zu Tag zu. Wie sollen wir damit umgehen? (Runter)

In „Die zunehmende Menge an Weltraummüll, wie sollten wir damit umgehen (Teil 1)“ haben wir hauptsächlich etwas über die Quellen und Gefahren des Weltraummülls gelernt. Wie also sollten wir mit Weltraummüll umgehen und ihn verhindern? Tatsächlich haben Wissenschaftler aus verschiedenen Ländern viele Möglichkeiten gefunden, damit umzugehen.

Vorbeugen ist die beste Methode

Wenn die Menge an Weltraumschrott in der erdnahen Umlaufbahn einen bestimmten Wert überschreitet, kommt es wahrscheinlich zu Domino-ähnlichen Kollisionen, die einen Teufelskreis bilden und dazu führen, dass zu viel Weltraumschrott verfolgt wird. Dieses Phänomen wird Kessler-Syndrom genannt.

Zu diesem Zweck müssen Maßnahmen zur Eindämmung von Weltraummüll ergriffen werden, etwa die Einrichtung eines Verfolgungs- und Frühwarnmechanismus, die Begrenzung der Entstehung neuen Weltraummülls, die aktive Entfernung von Weltraummüll aus der Umlaufbahn und die Stärkung der internationalen Gesetzgebung.

Der wirksamste Weg, mit Weltraumschrott umzugehen, besteht derzeit darin, seine Entstehung zu minimieren. Die wichtigsten Lösungen sind wie folgt:

Eine Möglichkeit besteht darin, den Start von Objekten, die nicht mit der Flugmission in Zusammenhang stehen, zu reduzieren und Raumfahrzeuge ähnlich wie beim Busfahren gemeinsam zu nutzen. Dadurch können nicht nur Doppelstarts vermieden und Kosten gespart, sondern auch die Wahrscheinlichkeit der Entstehung von Weltraummüll verringert werden.

Das zweite Ziel besteht darin, die Konstruktion von Raumfahrzeugen zu verbessern, um zu verhindern, dass sie im Orbit auseinanderfallen.

Die dritte besteht darin, die Umlaufbahn des ausgefallenen Raumfahrzeugs anzupassen, um es aus der Umlaufbahn zu nehmen.

Viertens: Überwachen Sie regelmäßig Raumfahrzeuge, die im Orbit ausfallen, da sie große Mengen an Weltraumschrott verursachen können.

Durch die Kollision und Zersplitterung von Raumfahrzeugen entstehen große Mengen Weltraummüll. Zu den wirksamen Maßnahmen zur Reduzierung von Kollisionen und Fragmentierung zählen die Verbesserung der Konstruktion von Raumfahrzeugen und die Auswahl von Umlaufbahnen mit geringer Kollisionswahrscheinlichkeit.

Zu den spezifischen Methoden zur Verhinderung der Entstehung von Weltraummüll zählen Energiedissipation, Verankerung, Schrottumlaufbahn und Wiederverwendung.

Bei der sogenannten „Energiedissipation“ handelt es sich um die Beseitigung sämtlicher Energie, die zu einer Explosion der Raketenoberstufe oder des Raumfahrzeugs im Orbit führen könnte. Zu den Maßnahmen gehören das Entleeren bzw. Entleeren des verbleibenden Treibstoffs und Hochdruckgases in der Endstufe der Trägerrakete, die ihre Arbeit beendet hat, sowie das dauerhafte Unterbrechen des Stromkreises der Batterie in der Endstufe oder dem Raumfahrzeug. Diese Maßnahmen werden auch als Passivierungsbehandlung bezeichnet. Beispielsweise wurde bei der Oberstufenrakete der Langer Marsch 4B meines Landes nach der Trennung von Satellit und Rakete einmal eine „Drei-Freisetzungs“-Regelung über das Emissionssystem umgesetzt, d. h. die gesamte Flüssigkeit im Tank, das gesamte Gas im Zylinder und die gesamte Energie in der Batterie wurden freigesetzt. Auf diese Weise explodiert die Rakete selbst nicht, es sei denn, sie kollidiert mit einem anderen Raumfahrzeug.

Darüber hinaus planen einige Länder, die Deorbit-Periode nach Abschluss der Mission in der erdnahen Umlaufbahn von 25 Jahren auf 5 Jahre zu verkürzen. Dies erfordert, dass bei der Konstruktion von Raumfahrzeugen die Zweckmäßigkeit der Erfassung und Deorbitierung berücksichtigt wird und eine Liste mit Prioritäten für die Entfernung von Weltraummüll erstellt wird.

Mit einer Leine Müll wegräumen

Unter „Anbinden“ versteht man das Anbinden der während des Starts und Betriebs des Raumfahrzeugs entstehenden Abfallobjekte, wie etwa Linsenabdeckungen, Befestigungselemente usw., an das Raumfahrzeug. Beispielsweise kann die Detektorabdeckung mit dem Hauptkörper verbunden sein. Allerdings ist diese Methode noch nicht weit verbreitet.

Unter „Schrottorbit“ versteht man die Verwendung des verbleibenden Treibstoffs, um ein Raumfahrzeug in eine spezielle Umlaufbahn zu bringen, die speziell dazu dient, ausgediente Raumfahrzeuge vor dem Ende ihrer Lebensdauer zu „begraben“. Die Müllumlaufbahn eines ausgemusterten geostationären Satelliten liegt im Allgemeinen 300 bis 400 Kilometer höher als die geostationäre Umlaufbahn. Der Nachteil dieser Methode besteht darin, dass sie Satellitentreibstoff verbraucht und die Lebensdauer des Satelliten beeinträchtigt. Daher könnte man erwägen, das Raumfahrzeug mit einem elektrischen Antriebssystem an Bord in die Müllumlaufbahn zu befördern.

Weltraumexperten untersuchen außerdem die Wiederverwendung von Trägerraketen und bestimmten Raumfahrzeugen. Die Vereinigten Staaten haben die teilweise wiederverwendbaren Raketen Falcon 9 und Falcon Heavy sowie die teilweise wiederverwendbaren Raumfahrzeuge Cargo Dragon und Crew Dragon erfolgreich gestartet und entwickeln wiederverwendbare schwere Raketen und Raumfahrzeuge vom Typ Starship. Chinesische und ausländische Forscher nutzen oder erforschen außerdem Technologien wie die Reparatur und Betankung von Satelliten im Orbit, um die Zahl der verschrotteten Raumfahrzeuge zu verringern und ihre Lebensdauer zu verlängern.

Die Raumstation meines Landes ist der erste „Heimathafen“ für Raumfahrzeuge der Welt und kann im Orbit Wartungsarbeiten an anderen Raumfahrzeugen durchführen, die in derselben Umlaufbahn fliegen. Beispielsweise wird mein Land das Weltraumteleskop „Xuntian“ starten, das in derselben Umlaufbahn wie die Raumstation „Tiangong“ fliegen wird. Nach einem langen Flug kann es bei Bedarf zur Raumstation fliegen, sich mit der „Tiangong“ treffen und dort andocken, und die Astronauten können dort Aktivitäten wie das Auffüllen des Treibstoffs, die Wartung der Ausrüstung und die Aufrüstung der Nutzlastausrüstung durchführen. Anschließend wird es abgetrennt und in seine ursprüngliche Umlaufbahn zurückfliegen, um dort seine Arbeit fortzusetzen.

Zur Reduzierung des Weltraummülls ist auch die Formulierung entsprechender Weltraumgesetze und -vorschriften erforderlich. In den letzten Jahren hat die rasante Entwicklung kleiner Satelliten zu einem starken Anstieg der Zahl von Weltraumobjekten geführt. Insbesondere verfügen viele Satelliten über eine geringe Funktionalität und eine kurze Lebensdauer, wodurch eine große Menge Weltraummüll entsteht.

Aus diesem Grund ist die Gesetzgebung zu Kleinsatelliten zu einem heißen Thema in der aktuellen internationalen Weltraumforschung geworden und einschlägige internationale Organisationen untersuchen Regeln für das Weltraumverkehrsmanagement zur Verwaltung von Kleinsatelliten. Da Kleinsatelliten eine geringe Masse, niedrige Kosten und eine große Anzahl aufweisen, haben sie einen enormen Einfluss auf die Weltraumumgebung und sollten daher strengere Anforderungen zur Eindämmung von Weltraummüll erfüllen. Die Implementierung eines Weltraumverkehrsmanagements ist die grundlegendste Möglichkeit, die Sicherheit des Betriebs kleiner Satelliten im Orbit zu gewährleisten.

Wie man mit vorhandenem Weltraumschrott umgeht

Heute können Menschen Weltraumschrott, der größer als 10 Zentimeter ist, überwachen und ihm „vermeiden“, indem sie normal funktionierende Raumfahrzeuge manövrieren, bevor er mit normal funktionierenden Raumfahrzeugen kollidiert. Weltraumschrott von 1 mm bis 1 cm Größe kann derzeit zwar nicht erkannt werden, er kann jedoch durch die eigene Hülle des Raumfahrzeugs „bekämpft“ werden. Am gefährlichsten sind Weltraumschrottstücke von 1 bis 10 Zentimetern, denen man weder durch Überwachung „ausweichen“ noch durch heftige Kollisionen mit der eigenen Hülle „abwehren“ kann.

Es wird schwierig sein, die Gesamtmenge an Weltraummüll zu reduzieren und den angesammelten Weltraummüll letztendlich zu entfernen, weder kurzfristig noch über einen langen Zeitraum hinweg. Der derzeit praktischste Weg, mit vorhandenem Weltraummüll umzugehen, besteht darin, ihn zu „verstecken“ . Raumstationen ändern häufig ihre Umlaufbahn, um Weltraummüll auszuweichen, der mit ihnen kollidieren könnte. Im Jahr 2021 nahm die chinesische Raumstation außerdem zwei Notfall-Orbitänderungen vor, um dem US-amerikanischen Starlink-Satelliten auszuweichen.

Schematische Darstellung des US-Satelliten für das „weltraumgestützte Weltraumüberwachungssystem“ im Orbit

Voraussetzung für die „Vermeidung“ ist die genaue Überwachung und Berechnung der Umlaufbahn von Weltraummüll, um Raumfahrzeuge frühzeitig warnen zu können. Die bodengestützte Überwachung von Weltraumobjekten wird im Allgemeinen in zwei Arten unterteilt: Radarüberwachung und optische Überwachung. Radar wird hauptsächlich zur Überwachung von Objekten in niedrigen Umlaufbahnen verwendet, während Optik hauptsächlich zur Überwachung von Objekten in hohen Umlaufbahnen eingesetzt wird.

In den letzten Jahren haben die Vereinigten Staaten zudem den Satelliten „Space-based Space Surveillance System“ gestartet, der alle Flugobjekte in der Erdumlaufbahn kontinuierlich und ungehindert überwachen kann. Deutschland plant den Einsatz einer Methode, die präzise Laserentfernungsmessung mit passiver optischer Verfolgung kombiniert. Dabei werden Teleskope zur Bestimmung der Winkelkoordinaten von Weltraummüll eingesetzt und gleichzeitig die Laserentfernungsmessungstechnologie zur Bestimmung der Entfernung des Weltraummülls und zur anschließenden Berechnung seines Standorts eingesetzt. Bereits 2005 begann das Purple Mountain Observatory meines Landes, optische Teleskope zur Überwachung von Weltraumobjekten einzusetzen.

Darüber hinaus können Raumfahrzeuge auch eine Reihe von „Anti-Schutzmethoden“ anwenden. Passen Sie beispielsweise die Position gefährdeter Komponenten an und verstärken Sie die Oberfläche durch Abschirmschutz. Alle Raumfahrzeuge können mit Abschirmschutzstrukturen gegen Trümmer von 0,1 bis 1 cm Größe fertig werden, für Trümmer von 1 bis 10 cm Größe sind jedoch spezielle Konstruktionen erforderlich. Der Nachteil dieser Methode besteht darin, dass sie die Herstellungs- und Startkosten des Raumfahrzeugs erhöht, sodass die „kugelsichere Weste“ des Raumfahrzeugs aus neuen Materialien hergestellt werden muss, die sowohl robust als auch leicht sind.

Astronauten der Internationalen Raumstation installierten während eines Weltraumspaziergangs mehrere Aluminiumschilde an wichtigen Stellen außerhalb der Station. Auch an der Außenseite der Versuchskabinen des Zielraumfahrzeugs Tiangong-1 und des Weltraumlabors Tiangong-2 meines Landes sind spezielle Schutzvorrichtungen angebracht.

Die Besatzungen der chinesischen Raumsonden Shenzhou 18 und 19 haben bereits Schutzvorrichtungen gegen Trümmerteile für die Raumstation installiert oder werden dies tun. Diese können vor einer großen Anzahl winziger Trümmerteile schützen, die kleiner als ein Zentimeter sind und nur schwer zu erkennen sind. Der Trümmerschild besteht aus speziellen Materialien, die Energie absorbieren und Schäden an der Raumstation reduzieren können.

Astronauten, die Weltraumspaziergänge durchführen, sind zum Schutz hauptsächlich auf Raumanzüge angewiesen und natürlich ist es am besten, die Kabine nicht in einem Bereich mit Trümmern zu verlassen. Bei Trümmern, die größer als 10 cm sind, ist aufgrund von Gewichts- und Volumenbeschränkungen ein Schutz gegen Trümmer dieser Größe nicht praktikabel. Wenn die genauen Orbitalparameter bekannt sind, können Kollisionen nur durch Orbitalmanöver vermieden werden.

Die Seitenwände der abgedichteten Versuchskabine vor Tiangong-1 und Tiangong-2 sind mit speziellen Schutzplatten ausgestattet, was dem Anlegen einer kugelsicheren Weste gleichkommt. Es verfügt über eine 2 bis 3 mm dicke Metallbeschichtung. Im Falle eines 5 mm großen Lecks können Tiangong-1 und Tiangong-2 etwa 80 Minuten lang einen Kabinendruck von mindestens 70 kPa aufrechterhalten, was den Astronauten Zeit zur Flucht gibt.

Neue Tricks erforschen

Derzeit untersuchen viele Länder weltweit aktiv verschiedene neue Methoden zur Handhabung von Weltraummüll, darunter das Einsammeln, Verbrennen und Entfernen von Weltraummüll aus der Umlaufbahn.

Die Europäische Weltraumorganisation wird im Jahr 2025 die weltweit erste Mission zur Entfernung von Weltraummüll aus der Umlaufbahn starten und dabei die Raumsonde CleanSpace-1 ins All schicken, um die Technologie zur Entfernung von Weltraummüll aus der Umlaufbahn zu testen. Bei diesem speziellen Raumfahrzeug handelt es sich um einen neuen Typ eines vierarmigen Müllsammelroboters. An der Außenseite seines Körpers ist ein spezielles Gerät in Form eines Netzes oder Robotertentakels angebracht, das Weltraumschrott greifen und festhalten kann.

Schematische Darstellung des Space Cleaner 1

SpaceClean 1 wiegt weniger als 400 Kilogramm, verfügt über ein „hohes Maß an Autonomie“ und ist aus speziellen Metallmaterialien gefertigt, sodass es seine Aufgaben auch durch Einschläge von Weltraummüll nicht außer Gefecht setzen kann. Dem Plan zufolge soll SpaceClean 1 zunächst zur Justierung und Erprobung in eine 500 Kilometer hohe Umlaufbahn gebracht werden, dann seine Umlaufbahn auf eine über 600 Kilometer hohe Umlaufbahn ändern, um dort den „Vega Secondary Payload Adapter“ einzufangen und dieses Stück simulierten Weltraumschrotts schließlich in die Atmosphäre zu ziehen, um es dort zu verbrennen. Wenn die oben genannten Experimente erfolgreich sind, wird dies den Weg für zukünftige Missionen zur Beseitigung von Weltraummüll im Orbit ebnen.

Japan erforscht eine Technologie zur Entfernung elektrischer Halteseile. Es eignet sich zum Entfernen von großem Weltraumschrott und kann auf Frachtraumschiffe geladen werden. Sobald das Haltesystem des Frachtraumfahrzeugs Weltraumschrott erkennt, kann es sich mithilfe von Navigationssatelliten schrittweise dem Weltraumschrott nähern und, wenn die Entfernung gering genug ist, optische Kameras zur gemeinsamen Erfassung des Weltraumschrotts einsetzen.

Einige Experten sind jedoch der Ansicht, dass die Technologie schwierig, kostspielig und ineffizient sei. Am 22. Juli 2024 wurde außerdem berichtet, dass das japanische Unternehmen Astroscale im Jahr 2026 den Weltraumschlepper ELSA-M nutzen wird, um einen nicht mehr genutzten Breitbandsatelliten von OneWeb aus einer niedrigen Umlaufbahn zu entfernen. ELSA-M wird innerhalb von fünf Jahren nach Abschluss seiner Mission wieder in die Atmosphäre eintreten und verglühen.

Am 25. Juni 2016 schickte mein Land beim ersten Start der Rakete „Langer Marsch 7“ die Testnutzlast Aolong 1 in die Umlaufbahn und führte damit den weltweit ersten aktiven Deorbittest von Weltraumschrott durch. Ziel ist die Simulation von Weltraumschrott. Dabei wird ein Roboterarm eingesetzt, der das Greifen von simuliertem Weltraumschrott simuliert und in die Atmosphäre gebracht werden kann, um ihn dort zu verbrennen. Auf diese Weise wird die Schlüsseltechnologie zur Beseitigung von Weltraumschrott verifiziert. In Zukunft wird mein Land auch technologische Forschung in Bereichen wie der Weltraumumgebungsmanagementroboter betreiben.

Alle oben genannten Systeme nutzen Rendezvous-, Erfassungs- und Entfernungstechnologien, um Weltraumschrott einzufangen und ihn dann in die Erdatmosphäre zu befördern, wo er verbrennt und sich zersetzt. Diese Methode ist ausgereift und zuverlässig, die Kosten sind jedoch relativ hoch.

Zu diesem Zweck haben einige Forscher auch andere Methoden zum Umgang mit Weltraummüll vorgeschlagen. Bei der „Brennmethode“ beispielsweise werden Weltraumschrottstücke mit Hochleistungslasern bestrahlt, in Partikel zerlegt und anschließend rasch aus der Umlaufbahn entfernt. Bei kleinem Müll kann ein starker Laser zum Verbrennen und Vergasen verwendet werden. Dieser Ansatz könnte jedoch leicht zu einem Weltraumkrieg führen.

Es gibt auch die „Deorbit-Methode“, bei der Weltraumschrott aus seiner ursprünglichen Umlaufbahn gebracht oder direkt in die Atmosphäre abgeworfen und verglüht wird. oder es in eine Umlaufbahn mit kurzer Lebensdauer (weniger als 25 Jahre) zu bringen. Neben der Nutzung des eigenen Antriebssystems des Raumfahrzeugs zur Änderung der Umlaufbahn ist es auch möglich, Vorrichtungen am Raumfahrzeug zur Erhöhung des atmosphärischen Widerstands, wie etwa großflächige Segelbretter oder aufblasbare Fallschirme, zu aktivieren, wodurch die Geschwindigkeit des Raumfahrzeugs verringert wird, es seine Umlaufbahn verlässt und schließlich wieder in die Atmosphäre eintritt und verglüht.

Diese Methode eignet sich für den Umgang mit Weltraumschrott in Umlaufbahnen unterhalb von 600 bis 700 Kilometern. Es ist relativ einfach und erfordert keine Lageregelung. Wenn Weltraummüll eine Höhe von mehr als 1.200 Kilometern erreicht, ist kein atmosphärischer Widerstand mehr vorhanden und der Druck des Sonnenlichts kann genutzt werden, um ihn aus der Umlaufbahn zu holen.

Unter Deorbiting versteht man den Vorgang, Weltraummüll aus seiner ursprünglichen Umlaufbahn zu entfernen, entweder indem er direkt in die Atmosphäre herabsteigt und dort verbrennt oder indem er in eine Umlaufbahn mit kurzer Lebensdauer (weniger als 25 Jahre) gebracht wird. Neben der Nutzung des eigenen Antriebssystems des Raumfahrzeugs zur Änderung der Umlaufbahn ist es auch möglich, Vorrichtungen am Raumfahrzeug zur Erhöhung des atmosphärischen Widerstands, wie etwa großflächige Segelbretter oder aufblasbare Fallschirme, zu aktivieren, wodurch die Geschwindigkeit des Raumfahrzeugs verringert wird, es seine Umlaufbahn verlässt und schließlich wieder in die Atmosphäre eintritt und verglüht.

Diese Methode eignet sich für den Umgang mit Weltraumschrott in Umlaufbahnen unterhalb von 600 bis 700 Kilometern. Es ist relativ einfach und erfordert keine Lageregelung. Wenn Weltraummüll eine Höhe von mehr als 1.200 Kilometern erreicht, ist kein atmosphärischer Widerstand mehr vorhanden und der Druck des Sonnenlichts kann genutzt werden, um ihn aus der Umlaufbahn zu holen.

Es kann auch eine Technologie zur aktiven Laserentfernung eingesetzt werden, bei der die Oberfläche von Weltraummüll mit einem gepulsten Laserstrahl hoher Energie bestrahlt wird, um Plasma zu erzeugen und nach außen auszustoßen. Das nach außen ausgestoßene Plasma übt eine Rückwärtskraft auf den Weltraumschrott aus, wodurch dessen Geschwindigkeit abnimmt. Diese Technologie erfüllt alle Voraussetzungen für die aktive Entfernung von Weltraummüll, ist also vielversprechend und wichtige technische Forschungsarbeiten sind derzeit im Gange.

Es können auch Sprühentfernungstechniken verwendet werden. Dabei werden Gase, Flüssigkeiten, Ionenstrahlen usw. auf Weltraumschrott gesprüht, um dessen Flugwiderstand zu erhöhen und dadurch die Fluggeschwindigkeit des Weltraumschrotts zu verringern. Diese Technologie ist schlecht steuerbar.

Es gibt andere Möglichkeiten, den Weltraumschrott zu reduzieren. Beispielsweise können Raumfahrzeuge aus Schaummetall beim Wiedereintritt in die Atmosphäre schnell und vollständig zu Gas verbrennen; Es werden leichte und kostengünstige Keramik- und Polymermaterialien entwickelt und auf die Oberfläche von Raumfahrzeugen aufgebracht, um Schutzschilde zu bauen, die dem Aufprall kleiner Trümmer standhalten.

Am 4. November 2024 wurde der weltweit erste von Japan entwickelte künstliche Satellit mit Holzschale gestartet. Wenn es ausgemustert wird und wieder in die Atmosphäre gelangt, verbrennt das Holzmaterial. Die aktuellen Satelliten mit Metallgehäuse werden Metallpartikel produzieren, die sich negativ auf die Umwelt und die Kommunikation auswirken, wenn sie außer Dienst gestellt und zur Erde zurückgebracht werden.

Es gibt unzählige Ideen zur Entsorgung von Weltraumschrott, doch sie alle erfordern, dass kein weiterer Weltraumschrott erzeugt wird und die Kosten relativ gering bleiben. Derzeit befinden sich die meisten der oben genannten Technologien noch in der Phase der „Papierdiskussion“ und erfordern eine lange Zeit eingehender Erforschung und kontinuierlicher Experimente.

Kurz gesagt: Der Umgang mit Weltraummüll ist eine multidisziplinäre, umfassende und langfristige Aufgabe, die die Aufmerksamkeit aller Länder und eine umfassende internationale Zusammenarbeit erfordert, um gemeinsam den von der Menschheit gemeinsam genutzten Weltraum zu schützen.

Autor: Pang Zhihao

Leitender Experte für wissenschaftliche Kommunikation der National Space Exploration

Herausgeber: Dong Xiaoxian

Rezensent: Liu Kun und Li Peiyuan