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

Computergeneriertes Bild von Weltraumschrott

Die Besatzung von Shenzhou 19 betrat die Raumstation am 30. Oktober 2024. Eine ihrer wichtigen Aufgaben auf dieser Reise besteht darin, durch Weltraumspaziergänge weiterhin Schutzvorrichtungen gegen Weltraummüll außerhalb der Kabine der Raumstation zu installieren. Zuvor hatte die Besatzung von Shenzhou 18 außerhalb der Kabine der Raumstation ein Schutzgerät gegen Weltraummüll installiert.

Als Weltraummüll, auch Weltraumschrott genannt, bezeichnet man die Fragmente verschiedener von Menschenhand geschaffener Objekte, die in der Erdumlaufbahn kreisen. Das Problem des zunehmenden Weltraumschrotts verschärft sich derzeit und wird in Zukunft immer gravierender werden.

Je mehr Weltraumschrott vorhanden ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass er miteinander kollidiert und dadurch noch mehr Trümmer entstehen oder sogar ein Dominoeffekt auftritt. Sie stellen daher eine zunehmende Bedrohung für Raumfahrzeuge im Orbit dar und gefährden auch das Leben der Astronauten.

01Die Quelle des Weltraumschrotts

Mit der zunehmenden Verbreitung der Luft- und Raumfahrttechnologie hat die Zahl der Raumfahrzeugstarts zugenommen, und dementsprechend hat auch die Menge an Weltraummüll zugenommen. Am 19. Oktober 2024 beispielsweise zerbrach der internationale Kommunikationssatellit 33E unerwartet in der geostationären Umlaufbahn, wodurch mindestens 500 Trümmerteile in die geostationäre Umlaufbahn gelangten.

Laut Statistik umkreisen derzeit mindestens 3.000 Tonnen Weltraumschrott die Erde, und die Menge steigt jährlich um 2 bis 5 Prozent. Es besteht im Wesentlichen aus drei Teilen:

Der erste Teil stammt von künstlichen Objekten, beispielsweise verschiedenen ausgemusterten künstlichen Satelliten, sowie von Fragmenten, die durch Kollisionen zwischen künstlichen Objekten und zwischen natürlichen Himmelskörpern und künstlichen Objekten entstanden sind.

Der zweite Teil stammt aus der Oberstufe der Trägerrakete.

Der dritte Teil besteht aus dem Müll, den die Astronauten bei ihren Weltraumaktivitäten erzeugen und ins All werfen, sowie aus Gegenständen, die bei Weltraumspaziergängen versehentlich im Weltraum zurückgelassen werden (wie etwa Nüsse und Werkzeuge).

Unter anderem hängt die durch die Kollision von künstlichen Objekten erzeugte Zerstörungskraft auch mit dem Kollisionswinkel zusammen. So kollidierte beispielsweise am 10. Februar 2009 der russische Satellit 2251 mit dem amerikanischen Satelliten Iridium 33 bei einer Relativgeschwindigkeit von 11,64 km/s. Dabei entstanden 2.201 Teile Weltraumschrott, die überwacht und katalogisiert werden konnten.

Schematische Darstellung der Orbitalkreuzung der kollidierenden US-amerikanischen und russischen Satelliten

Nach der Größe des Weltraummülls wird dieser international im Allgemeinen in drei Kategorien eingeteilt:

1. Große Fragmente sind größer als 10 cm und es gibt derzeit Zehntausende davon, die überwacht werden können. 2. Kleine Fragmente haben eine Größe zwischen 1 und 10 cm und es gibt derzeit mehr als 100.000 davon. 3. Winzige Fragmente sind zwischen 1 mm und 1 cm groß und es gibt derzeit Hunderttausende davon. Es handelt sich vermutlich um Hunderte Millionen Fragmente, die nicht größer als 1 mm sind.

Aus der Perspektive der räumlichen Verteilung beträgt die Dichte von Raumfahrzeugen und großen Trümmern in mittleren und niedrigen Umlaufbahnen im Durchschnitt etwa 10 pro Kubikkilometer. Aufgrund ihrer extrem hohen Geschwindigkeit und ihrer Zerstörungskraft, die proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit ist, ist die Aufprallenergie eines nur 10 Gramm schweren Weltraumschrotts nicht geringer als die Aufprallenergie eines Autos, das mit einer Geschwindigkeit von 100 Kilometern pro Stunde fährt. Daher handelt es sich bei dem von ihm verursachten Ereignis um ein Ereignis mit „geringer Wahrscheinlichkeit und hohem Risiko“.

Weltraummüll in niedriger Umlaufbahn wird durch den Luftwiderstand allmählich herabsinken und in die Atmosphäre zurückkehren, wo er verbrennt. Befindet sich Weltraumschrott in einer hohen Umlaufbahn, bleibt er dort für lange Zeit. Im Allgemeinen beträgt die Lebensdauer eines Weltraumobjekts in 300 Kilometern Höhe über der Erde etwa ein Jahr, Objekte in 600 Kilometern Höhe können Jahrzehnte fliegen, Objekte über 1.000 Kilometern können Hunderte von Jahren fliegen und Objekte über 4.000 Kilometern können Tausende von Jahren fliegen. Höherer Weltraumschrott wird sich fast immer im Weltraum befinden.

0 2 Weltraumschrott ist sehr schädlich

Die Auswirkungen von Weltraummüll auf den normalen Betrieb von Raumfahrzeugen werden hauptsächlich durch Faktoren wie die Zeit, die das Raumfahrzeug im Orbit verbringt, den geschützten Bereich, die Umlaufbahnhöhe und die Umlaufbahnneigung bestimmt, wobei die ersten drei Faktoren die wichtigsten sind.

Die Fluggeschwindigkeit von Weltraumschrott in niedrigen Umlaufbahnen beträgt etwa 7,9 Kilometer pro Sekunde. Trifft es auf die Oberfläche eines Raumfahrzeugs, hinterlässt es zumindest eine Delle, durchdringt das Raumfahrzeug und führt zum Ausfall einiger Systemfunktionen. Es kann sogar katastrophale Folgen haben, darunter die Gefährdung von Astronauten bei Außenbordeinsätzen.

Aufgrund ihrer großen Anzahl können extrem kleine Weltraumtrümmer die Oberflächenleistung von Raumfahrzeugen verändern. etwas größere Weltraumtrümmer können das Oberflächenmaterial von Raumfahrzeugen beschädigen, Einschlagkrater verursachen und Oberflächengeräte beschädigen; Wenn große Weltraumtrümmer mit einem Raumfahrzeug kollidieren, kann sich die Lage des Raumfahrzeugs ändern, und sogar die Umlaufbahn des Raumfahrzeugs kann sich verändern. Weltraumschrott, der mit Hypergeschwindigkeit auftrifft, kann sich selbst und das Oberflächenmaterial des Raumfahrzeugs verdampfen und in eine Plasmawolke geraten, was zum Absturz des Raumfahrzeugs führen kann. Wenn die Energie des Weltraummülls groß genug ist, kann er die Oberfläche des Raumfahrzeugs durchdringen, das Steuerungssystem oder die Nutzlast im Inneren des Raumfahrzeugs beschädigen und so eine Explosion des Raumfahrzeugs oder die Zerstörung der gesamten Struktur verursachen.

Darüber hinaus stellt Weltraummüll, der wieder in die Atmosphäre gelangt und nicht vollständig verbrannt wird, eine ernsthafte Bedrohung für die Sicherheit von Leben und Eigentum auf der Erde dar. Besonders schwerwiegend sind die Folgen beim Absturz eines nuklearbetriebenen Raumfahrzeugs.

In den 1970er und 1980er Jahren beispielsweise geriet ein sowjetischer Atomsatellit außer Kontrolle und stürzte in Kanada ab, was große Panik auslöste. Auch die US-Raumstation Skylab geriet außer Kontrolle und stürzte ab, wobei die Häuser der Bewohner am Boden beschädigt wurden. Zu viel Weltraummüll kann astronomische Beobachtungen im Weltraum ernsthaft beeinträchtigen und das Teleskop beschädigen, wenn der Müll auftrifft.

Space-Shuttle-Fenster von Weltraumschrott getroffen

Da die Aufprallkraft von Weltraumschrott in der Größe eines Sandkorns der einer Bowlingkugel entspricht, die mit 160 Kilometern pro Stunde fliegt , können kleine Weltraumschrottpartikel mit einem Durchmesser von weniger als ein paar Millimetern Schäden an laufenden Raumfahrzeugen verursachen. Diese Schäden lassen sich in zwei Kategorien unterteilen: Erstens handelt es sich um Schäden an der Oberfläche von Raumfahrzeugsubsystemen und zweitens um Auswirkungen auf den Betrieb des Raumfahrzeugs. So wurden beispielsweise die Fenster des US-Space Shuttles von Weltraumschrott getroffen.

Weltraumschrott hat der Internationalen Raumstation schweren Schaden zugefügt. So hinterließen beispielsweise im Jahr 2016 Metalltrümmer mit einem Durchmesser von mehreren Mikrometern einen Einschlagkrater mit einem Durchmesser von 7 mm am Bullauge der Internationalen Raumstation. Im Jahr 2021 traf ein unbeobachtetes Trümmerteil den Canadarm-2 der Internationalen Raumstation, zerriss dessen Schutzschicht und hinterließ ein Loch mit einem Durchmesser von fast 10 mm. Im Jahr 2022 entstand im Rumpf eines russischen Sojus-Raumschiffs, das an der Internationalen Raumstation angedockt war, ein kleines 0,8 mm großes Loch, wodurch 44 kg Kühlmittel austraten.

Zu diesem Zweck verfügt die Internationale Raumstation derzeit über ein Kollisionsvermeidungsprogramm. Wenn die entsprechende Ausrüstung erkennt, dass sich ein Weltraumobjekt der Raumstation nähert und die Möglichkeit einer Kollision besteht, weist dieses Programm die Raumstation an, ihren Motor zu starten, um ihre Umlaufbahn zu ändern und eine Kollision zu vermeiden. Wenn die Internationale Raumstation keine Zeit hat, ihre Umlaufbahn anzupassen, müssen sich die Astronauten aus Sicherheitsgründen im Inneren des Raumfahrzeugs verstecken, damit sie jederzeit entkommen können.

Die bemannte Raumfahrt ist eine Frage von Leben und Tod. Um die Sicherheit der Astronauten auf der Raumstation zu gewährleisten, hat auch unser Land entsprechende Maßnahmen ergriffen. Auf der Shenzhou-19-Pressekonferenz am 29. Oktober sagte Lin Xiqiang, Sprecher des bemannten Raumfahrtprogramms Chinas, dass als Reaktion auf Bedrohungen wie etwa Leckagen durch mit der Raumstation kollidierende Weltraumtrümmer die Notfallpläne ständig optimiert würden. Im Vergleich zur Anfangsphase des Betriebs der Raumstation hat sich die den Astronauten für Notfallmaßnahmen zur Verfügung stehende Zeit verfünffacht und die Sicherheit der Raumstation und der Astronauten wurde erheblich verbessert.

0 3 Umgang mit alten Raumfahrzeugen

Künstliche Satelliten, Raumstationen und andere Raumfahrzeuge werden zu Weltraumschrott, wenn sie das Ende ihrer Lebensdauer erreichen oder vorzeitig sterben. Dies könnte andere Raumfahrzeuge beeinträchtigen, die normal im Orbit operieren. Daher ist es wichtig, alte Raumfahrzeuge ordnungsgemäß zu entsorgen.

Es gibt viele Möglichkeiten, mit verschrotteten Raumfahrzeugen umzugehen, abhängig von der jeweiligen Situation , da verschrottete Raumfahrzeuge in zwei Kategorien unterteilt werden: steuerbar und unsteuerbar. Auch wenn es um steuerbare, verschrottete Raumfahrzeuge geht, müssen je nach Höhe der Umlaufbahn, Größe des Raumfahrzeugs usw. unterschiedliche Methoden angewendet werden.

Wenn ein Satellit in einer geostationären Umlaufbahn ausfällt oder das Ende seiner Lebensdauer erreicht, wird dies normalerweise durch eine Fernsteuerung der Triebwerke des Satelliten geändert, um den Satelliten in eine höhere, nutzlose Umlaufbahn zu bringen. Ein Grund hierfür besteht darin, dass die geostationäre Umlaufbahn sehr wertvoll und derzeit überfüllt ist, sodass veraltete Kommunikationssatelliten geräumt werden müssen. Der zweite Grund besteht darin, dass veraltete Satelliten in geostationären Umlaufbahnen zu Weltraumschrott geworden sind und daher an einem sicheren Ort gelagert werden müssen, damit sie keine Bedrohung für andere Satelliten in geostationären Umlaufbahnen darstellen.

Dasselbe gilt für aufgegebene Großsatelliten in mittleren Umlaufbahnen. Voraussetzung für die ferngesteuerte Bahnänderung eines verlassenen Satelliten ist allerdings, dass der Satellit steuerbar ist und über überschüssigen Treibstoff verfügt.

Die US-amerikanische Space Exploration Technologies Corporation behauptet, dass ihre Starlink-Satelliten in niedrigen Umlaufbahnen alle mit elektrischen Antriebssystemen ausgestattet sind, die ihre Umlaufbahnen nach Ablauf ihrer Lebensdauer aktiv absenken können, um schneller wieder in die Atmosphäre einzutreten und so die Vorschriften für den Wiedereintritt in die Atmosphäre innerhalb von 25 Jahren zu erfüllen. Am 2. September 2019 führte der Satellit Aeolus der Europäischen Weltraumorganisation jedoch ein gefährliches Hindernisvermeidungsmanöver durch, um eine Kollision mit einem Starlink-Satelliten zu vermeiden.

Wenn kleine Raumfahrzeuge, die in niedrigen Umlaufbahnen operieren, verschrottet werden, werden sie im Allgemeinen ignoriert, weil sie aufgrund des Einflusses der Restatmosphäre ihre Umlaufbahn weiter absenken und schließlich beim Eintritt in die Atmosphäre verglühen.

Wenn ein großes Raumfahrzeug, das in niedriger Umlaufbahn operiert, verschrottet wird, besteht die beste Lösung darin, es per Fernsteuerung vom Boden aus in ein unbewohntes Gebiet stürzen zu lassen, da es beim Wiedereintritt in die Atmosphäre nicht so leicht vollständig verglüht. So wurden beispielsweise der schwerste Satellit der Welt, das US-amerikanische Compton-Gammastrahlenteleskop (17 Tonnen), und die Hunderte Tonnen schwere russische Raumstation Mir manuell gesteuert und stürzten nach dem Ende ihrer Lebensdauer an einem Ort im Südpazifik ab, der als „Raumschifffriedhof“ bekannt ist. Auch die Raumfahrzeuge der Tianzhou-Serie meines Landes, der Progress-Serie Russlands und andere Frachtraumfahrzeuge werden nach Abschluss ihrer Missionen auf die gleiche Weise behandelt.

Am 17. November 2024 um 21:25 Uhr Pekinger Zeit trat das Frachtraumschiff Tianzhou-7 kontrolliert wieder in die Atmosphäre ein. Die meisten Komponenten des Raumfahrzeugs wurden beim Wiedereintritt in die Atmosphäre verbrannt und zerstört, und eine kleine Menge Trümmer fiel in die als sicher ausgewiesenen Gewässer im Südpazifik.

Derzeit liegen keine erfolgreichen Erfahrungen mit großen Raumfahrzeugen vor, die in niedrigen Umlaufbahnen operieren und die Kontrolle verlieren. Es gibt mehrere Möglichkeiten:

Eine Möglichkeit besteht darin, ein großes Erd-Weltraum-Transportfahrzeug, ähnlich dem Space Shuttle, zu verwenden, um es aus der Umlaufbahn zu bergen. Die Kosten sind jedoch zu hoch und dieses Fahrzeug wird derzeit kaum noch eingesetzt. Das Space Shuttle wurde ausgemustert. Die zweite Möglichkeit besteht darin, große Raumfahrzeuge mit Antisatellitenwaffen zu zerstören, sodass sie beim Wiedereintritt in die Atmosphäre verglühen. Diese Option ist jedoch sehr umstritten, da leicht eine große Menge Weltraummüll entstehen würde, wenn das Raumfahrzeug nach der Zerstörung nicht wieder in die Atmosphäre eintritt. Die dritte besteht darin, die Absturzstelle großer Raumfahrzeuge durch präzise Verfolgung zu bestimmen, damit das betroffene Personal im Voraus evakuiert werden kann.

Autor: Pang Zhihao

Leitender Experte für wissenschaftliche Kommunikation der National Space Exploration

Herausgeber: Dong Xiaoxian

Rezensent: Liu Kun und Li Peiyuan