Ist Weltraumschrott ein ernstes Problem? Was passiert, wenn ich es in Ruhe lasse?

Wir sammeln den Müll aus unserer täglichen Arbeit und unserem Leben und werfen ihn in Mülltonnen, wo er von der Stadtverwaltung recycelt und verarbeitet wird. Seit die Menschheit mit der Weltraumforschung begonnen hat, wird der Großteil des im Weltraum anfallenden Mülls vor Ort entsorgt und verbleibt im Weltraum. Diese nicht funktionsfähigen, von Menschenhand geschaffenen und im Weltraum zurückgelassenen Objekte werden von Fachleuten der Luft- und Raumfahrttechnik als „Weltraumschrott“ bezeichnet, allgemein sind sie jedoch als „Weltraummüll“ bekannt.

Schematische Darstellung der Weltraummüllsituation

Wer hat den Müll ins All „geworfen“?

Im Jahr 1989 entdeckte die Weltraummüll-Überwachungsbehörde, dass ein Satellit namens Cosmic Ray Background Explorer etwa 76 Weltraumschrottstücke produzierte, bei denen es sich allesamt um größere Weltraumschrottstücke mit einem Durchmesser von über 10 cm handelte.

Satelliten zerfallen nach einem Ausfall im Orbit und sind eine der Hauptquellen von Weltraumschrott. Seltsamerweise funktionierte der Satellit nach der Entstehung der Trümmer weiterhin normal und zerfiel nicht aufgrund einer Betriebsstörung. Später schloss der Satellit während seines Lebenszyklus sogar alle Beobachtungsaufgaben erfolgreich ab, die Ursache für den Weltraummüll konnte jedoch nicht gefunden werden. Obwohl ähnliche Ereignisse selten sind, zeigt das Auftreten dieses seltsamen Phänomens, dass die Menschen den Mechanismus der Weltraummüllentstehung noch immer nicht vollständig und ausreichend verstehen.

Der größte Weltraumschrott stammt normalerweise von ausgefallenen Raumfahrzeugen selbst. Wenn beispielsweise nach Erreichen des Endes der Lebensdauer eines Satelliten keine Maßnahmen zur Deorbitierung ergriffen werden, wird dieser zu einem „toten Stern“, der in der Umlaufbahn gestrandet ist.

Neben ausgefallenen Satelliten sind auch die zweiten, dritten oder oberen Stufen von Raketen, die Satelliten in die Umlaufbahn bringen, eine der Hauptquellen für Weltraummüll. In diesen Raumfahrzeugen ist im Allgemeinen noch etwas Treibstoff vorhanden. Einen Tag oder sogar Jahrzehnte nach dem Start kann der verbleibende Treibstoff explodieren und einige bis Hunderte von Weltraumschrottteilen erzeugen, wobei die Fluggeschwindigkeit dieser Fragmente unterschiedlich ist. Laut dem im Oktober 2020 veröffentlichten jährlichen Weltraumumweltbericht der ESA ist der Weltraummüll, der durch die Explosion der Überreste von Raketen entsteht, am gefährlichsten.

Eine Kollision zwischen ausgefallenen Satelliten würde zwei große Teile Weltraumschrott in eine riesige Menge Weltraummüll verwandeln. Am 11. Februar 2009 kam es über Sibirien zu einer heftigen Kollision zwischen dem US-amerikanischen Kommunikationssatelliten Iridium 33 und dem seit vielen Jahren verschrotteten russischen Satelliten Cosmos 2251. Es war die erste größere Satellitenkollision in der Geschichte der Menschheit. Bei der Kollision wurden bis zu 2.000 große Teile Weltraumschrott sowie eine größere Menge kleinen Weltraumschrotts freigesetzt, der nicht verfolgt werden konnte.

Darüber hinaus werden auch Teile und Farbsplitter, die vom Raumschiff abfallen, sowie sogar Schraubenschlüssel und Werkzeuge, die Astronauten bei Außenbordeinsätzen versehentlich verlieren, zu Weltraumschrott. Nach der Größe wird Weltraumschrott im Allgemeinen in drei Kategorien unterteilt: großer Schutt, gefährlicher Schutt und kleiner Schutt. Darunter sind große Trümmer, die größer als 10 cm sind. Obwohl diese Fragmente möglicherweise die größte Zerstörungskraft haben, können sie von bodengestützten Geräten verfolgt, überwacht und katalogisiert werden, und aktive Raumfahrzeuge können Ausweichmanöver gegen sie durchführen. Kleinere Trümmer mit einer Größe von weniger als einem Zentimeter können zwar nicht verfolgt werden, sie verfügen jedoch über eine geringere kinetische Energie und das Raumfahrzeug kann mit ihnen fertig werden, indem es die Schutzstruktur verstärkt. Trümmer mit einer Größe zwischen einem und zehn Zentimetern können zwar nicht geortet werden, verfügen jedoch über eine erhebliche Zerstörungskraft und stellen die größte potenzielle Bedrohung für Raumfahrzeuge dar. Aus diesem Grund werden sie als gefährlicher Schutt bezeichnet. Laut ESA-Daten lag die Zahl der großen Weltraumtrümmer im Januar 2020 bei über 34.000, die Zahl der gefährlichen Trümmer sogar bei rund 900.000.

Das Weltraummüll-Überwachungssystem der ESA

Um "Müll zu verstecken", mied die Internationale Raumstation einst dringend

Am frühen Morgen des 16. Juli 2015 entdeckte eine Weltraumschrott-Überwachungsbehörde ein Stück Weltraumschrott, das sich auf gefährliche Weise der Internationalen Raumstation näherte. Dieses Stück Weltraumschrott mit der Nummer 36912 hat etwa die Größe eines Esstellers und stammt von einem zerfallenen sowjetischen Militärwettersatelliten. Der Satellit funktionierte mehr als zwei Jahre nach seiner Einführung in die Umlaufbahn nicht mehr und in den darauffolgenden Jahrzehnten fielen weiterhin Trümmer vom Satelliten ab, die zu Weltraumschrott wurden. Nr. 36912 könnte einst Teil des Hitzeschildes des Satelliten gewesen sein.

Aufgrund der besonderen Umlaufbahn von „Nr. 36192“ kann dieser nur von einer sehr kleinen Anzahl von Stationen des Weltraummüll-Überwachungsnetzes überwacht werden. Aufgrund der scheibenartigen Gestalt und der geringen Masse von 36192 ist seine Umlaufbahn anfällig für Veränderungen der Dichte der oberen Atmosphäre, die durch Sonnenaktivität verursacht werden. Wenn es aus dem toten Winkel wieder im Überwachungsbereich der Station erscheint, könnte sich seine Umlaufbahn im Vergleich zu zuvor deutlich verändert haben. Am frühen Morgen desselben Tages, nachdem die Weltraummüllüberwachungsbehörde die Umlaufbahndaten des Trümmerteils aktualisiert hatte, musste sie mit Entsetzen feststellen, dass sich das Trümmerteil innerhalb weniger Stunden der Internationalen Raumstation nähern würde und die Wahrscheinlichkeit einer Kollision auf ein sehr hohes Tausendstel gestiegen war.

Bei alltäglichen Ereignissen in unserem Leben ist eine Wahrscheinlichkeit von eins zu tausend möglicherweise vernachlässigbar. Da die Folgen einer Kollision von größerem Weltraumschrott mit einem Raumfahrzeug jedoch katastrophal sein können, wird bei der Beurteilung des Aufprallrisikos eine sehr geringe Wahrscheinlichkeit als Warnschwelle verwendet. Nach den aktuellen Verfahren zur Kollisionsvermeidung in der bemannten Raumfahrt ist das Kollisionsrisiko mittel, wenn die Wahrscheinlichkeit einer Kollision größer als eins zu hunderttausend ist. Sofern die normale Durchführung der Mission dadurch nicht beeinträchtigt wird, muss das Raumfahrzeug Orbitalmanöver durchführen, um Weltraumschrott zu vermeiden. Wenn die Kollisionswahrscheinlichkeit größer als eins zu zehntausend ist, muss das Raumfahrzeug unter allen Umständen Orbitalmanöver durchführen. Eine Einschlagswahrscheinlichkeit von eins zu tausend stellt bereits eine Bedrohung mit hohem Risiko dar.

Allerdings wurde die Gefahr zu spät erkannt und für die Internationale Raumstation war es zu spät, den Trümmern auszuweichen.

Bei der Konstruktion der Kabine der Internationalen Raumstation wurde der Schutz vor Weltraummüll berücksichtigt und an der Außenseite der Kabine ist eine Whipple-Schutzabdeckung angebracht. Diese Schutzhülle besteht aus einer oder mehreren Lagen dünner Metallbleche. Trifft Weltraumschrott auf den Schutzschild, kann dieser einen Teil der Aufprallenergie absorbieren und die Fragmente zerlegen, wodurch die Aufprallkraft der Fragmente auf die Außenwand der Kabine verringert wird. Der Whipple-Schild ist auch das Gerät, das von den meisten anderen Raumfahrzeugen zum Schutz vor Einschlägen von Weltraummüll verwendet wird. Nach einer Schätzung stellten die Techniker jedoch fest, dass die Schutzkapazitäten der Internationalen Raumstation nicht ausreichten, um dem Aufprall von „36912“ standzuhalten. Sie konnten den Astronauten auf der Raumstation lediglich erlauben, in dem an der Raumstation angedockten russischen Sojus-Raumschiff Schutz zu suchen und die Türen einiger Kabinen zu schließen. Sollten Trümmerteile die Raumstation treffen, können derartige Maßnahmen die Schadensauswirkungen minimieren. Sollte die Raumstation vollständig zusammenbrechen, kann die Sojus als Rettungsboot dienen, um Astronauten aus der Raumstation zu holen und zur Erde zurückzubringen.

Ein Stück Weltraumschrott, beobachtet von der Internationalen Raumstation

Glücklicherweise endete der Vorfall ohne Schaden. Die Trümmer passierten die Internationale Raumstation schließlich mit einer relativen Geschwindigkeit von etwa 50.000 Kilometern pro Stunde und waren nur wenige tausend Meter von der Raumstation entfernt. Obwohl die Internationale Raumstation dieses Mal überlebt hat, wird die Gefahr eines Weltraummülleinschlags weiterhin bestehen und sogar noch größer werden, da die Menge an Weltraumschrott weiter zunimmt.

Was würde passieren, wenn man den Weltraumschrott in Ruhe ließe?

In den letzten Jahren haben SpaceXs Starlink und andere Kommunikationssatellitenkonstellationen in erdnahen Umlaufbahnen das Problem des Weltraumschrotts vor neue Herausforderungen gestellt. Nach der aktuellen Vision der Space Exploration Technologies Corporation wird die Gesamtzahl der vom Starlink-Satelliteninternet genutzten Satelliten bis zu 12.000 betragen, was einem Vielfachen der Zahl der Satelliten entspricht, die sich derzeit weltweit im Orbit befinden. Andere kommerzielle Luft- und Raumfahrtunternehmen haben ähnliche Pläne für erdnahe Kommunikationssatellitenkonstellationen vorgelegt, deren Anzahl zwischen einigen Hundert und Tausend liegt. Bei einer so großen Anzahl von Satelliten besteht selbst bei einem Ausfall einer kleinen Anzahl von ihnen eine erhebliche Gefahr durch Weltraumschrott.

Schematische Darstellung von Weltraummüll in einer niedrigen Erdumlaufbahn

Forschungsergebnissen einschlägiger Institutionen zufolge müssen bei einem System aus Tausenden von Kleinsatelliten in erdnaher Umlaufbahn mehr als 99 % der Satelliten nach Abschluss ihrer Mission entsorgt werden und die Umlaufbahn unmittelbar nach Beendigung ihrer Arbeit verlassen.

Für normal funktionierende Satelliten wird grundsätzlich Treibstoff reserviert. Wenn ihre Lebensdauer zu Ende geht, werden die Triebwerke dazu verwendet, den Satelliten so zu steuern, dass seine Umlaufbahn absinkt, wodurch er schnell in eine Phase eintritt, in der er stark mit der Atmosphäre interagiert und abstürzt und verbrennt. Kommt es jedoch zu einem unerwarteten Ausfall eines Satelliten während des Betriebs, kann dieser nicht sofort aus der Umlaufbahn genommen werden. Es kann nur darauf gewartet werden, dass die langsame Wechselwirkung zwischen dem Satelliten und der dünnen Atmosphäre in den mittleren und oberen Schichten die Umlaufbahn des Satelliten allmählich absenkt. Es wird lange dauern, bis der Satellit in die Atmosphäre eintritt und verglüht. Einer Studie des Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics vom November 2020 zufolge sind etwa 3 % der derzeit 800 Starlink-Satelliten im Orbit ausgefallen und zu neuem Weltraumschrott geworden. Derzeit liegt die „Toleranz“ ausländischer Regierungsbehörden für das Versagen kommerzieller Satelliten beim Verlassen der Umlaufbahn normalerweise bei 10 %, was offensichtlich viel höher ist als die in den Forschungsergebnissen angegebene Ausfallgrenze von 1 %.

Wenn der Weltraumschrott weiterhin unkontrolliert wächst, wird dies den „Kessler-Effekt“ auslösen: Es kommt zu Kettenkollisionen im Weltraum, die Ressourcen in den Umlaufbahnen werden durch die Verschmutzung mit Weltraumschrott erschöpft und die Menschheit wird nicht mehr in der Lage sein, Raumfahrzeuge in eine bestimmte Umlaufbahn zu bringen. Relevante Forscher haben Regierungsbehörden und Luft- und Raumfahrtunternehmen über verschiedene Kanäle dazu aufgerufen, der neuen Bedrohung durch Weltraumschrott, die von groß angelegten Kommunikationskonstellationen ausgeht, Aufmerksamkeit zu schenken, um zu verhindern, dass die effektive Nutzung des Weltraums in Zukunft verloren geht.