Warum konzentrieren sich Raumstationen und Satelliten verschiedener Länder alle auf Umlaufbahnen in einer Höhe von 400 Kilometern?

Vor nicht allzu langer Zeit wurde mir eine sehr interessante Frage gestellt: Warum hat unsere Raumstation Tiangong, wie die Internationale Raumstation, eine Umlaufbahn in einer Höhe von fast 400 Kilometern gewählt? Ist die Höhe von 400 Kilometern etwas Besonderes?

Diese Beobachtung ist besonders detailliert. Tatsächlich operieren viele Satelliten in Höhen von mehreren hundert Kilometern, und dies ist auch der Weltraumbereich, in dem künstliche Satelliten am dichtesten verbreitet sind. Das berühmte Hubble-Weltraumteleskop beispielsweise befindet sich in einer Höhe von etwa 500 Kilometern. Daher müssen die Menschen in diesem Gebiet ständig verschiedene Raumfahrzeuge, einschließlich Weltraumschrott, überwachen, um Kollisionen zu verhindern.

Warum also gestalten wir die Umlaufbahnen der Satelliten nicht weiter verteilt, um die Wahrscheinlichkeit einer Kollision zu verringern? Was würde beispielsweise passieren, wenn wir die Umlaufbahn des Satelliten senken würden? Dies lässt sich eigentlich ganz einfach vorstellen, da die Dichte der Atmosphäre mit der Höhe exponentiell abnimmt. Sinkt die Umlaufbahn des Satelliten also unter 300 Kilometer, erhöht sich der atmosphärische Widerstand erheblich und die Geschwindigkeit des Satelliten nimmt rapide ab, was dazu führt, dass die Höhe des Satelliten weiter abnimmt, bis er abstürzt. Können wir die Umlaufbahn des Satelliten also höher gestalten?

Dies ist tatsächlich möglich und es gibt tatsächlich einige Satelliten, die in höheren Umlaufbahnen kreisen. Doch dieses Mal stehen wir vor einer weiteren Bedrohung: der Strahlung im Weltraum. Apropos: Strahlung ist keine besonders mysteriöse Sache. Wir sind in unserem täglichen Leben verschiedenen Arten von Strahlung ausgesetzt. Sonnenlicht und drahtlose Kommunikation sind eigentlich Strahlung. Doch bei dieser Strahlung ist die Energie jedes einzelnen Photons so gering, dass sie uns nicht schadet. Aber Teilchen mit höherer Energie, wie etwa Röntgenphotonen oder hochenergetische geladene Teilchen im Weltraum, verfügen über genügend Energie, um Atome zu ionisieren, das heißt, um Elektronen aus ihnen herauszuschlagen. Wenn Menschen einer Umgebung mit ionisierender Strahlung dieser Art ausgesetzt sind, führt dies zu Schäden am zentralen Nervensystem und zur Zerstörung der hämatopoetischen Funktion des Knochenmarks und erhöht außerdem das Krebsrisiko. Darüber hinaus können hochenergetische Partikel dazu führen, dass sich Satellitenkomponenten auf- und entladen, wodurch die Instrumente direkt beschädigt werden. Manchmal können sie auch dazu führen, dass der potenzielle Zustand einiger Komponenten springt, beispielsweise von 0 auf 1 oder von 1 auf 0, was zu falschen Berechnungsergebnissen führt. Wenn Sie Pech haben, kann es auch zu einem Systemabsturz kommen. Daher werden diese Partikel manchmal als „Killerpartikel“ für Satelliten bezeichnet.

Das Bild stammt von Tuchong.com

Im erdnahen Raum gibt es eine große Anzahl hochenergetischer Teilchen, dieser Bereich wird als Strahlungsgürtel bezeichnet. Tatsächlich war der Strahlungsgürtel die erste wissenschaftliche Entdeckung der Menschheit im Weltraumzeitalter. Wie wir alle wissen, starteten die Sowjetunion und die Vereinigten Staaten in den 1950er Jahren nacheinander künstliche Satelliten und begannen damit das Rennen um die Vorherrschaft im Weltraum. Einige der ersten Satelliten, sowohl sowjetische als auch amerikanische, waren mit einem Partikeldetektor ausgestattet, der speziell zur Messung ionisierender Strahlung entwickelt wurde und als Geigerzähler bezeichnet wurde. Bald stellte der amerikanische Wissenschaftler Van Allen fest, dass die Strahlendosis im Weltraum weit über die bisherigen Vorstellungen hinausging und sogar den Bereich des Geigerzählers überschritt. Daher benannte man den Strahlungsgürtel später nach Van Allen und nannte ihn Van-Allen-Strahlungsgürtel.

Heute wissen wir, dass die hochenergetischen Teilchen in den Van-Allen-Strahlungsgürteln tatsächlich im Weltraum in Erdnähe durch das Erdmagnetfeld gefangen werden und zwischen den beiden Magnetpolen hin- und herspringen. Natürlich ist es für diese hochenergetischen Teilchen nicht einfach, die Erdoberfläche zu erreichen. Einerseits ist das Magnetfeld umso stärker, je näher man der Erde ist, und diese Partikel können leichter zurückprallen. Andererseits kollidieren diese Partikel aufgrund der Existenz der Atmosphäre mit atmosphärischen Molekülen oder Atomen und verlieren Energie. Generell gilt: Mit zunehmender Höhe und abnehmender Atmosphärendichte nimmt die Menge dieser hochenergetischen Teilchen im Weltraum rapide zu und stellt eine enorme Bedrohung für Satelliten und Astronauten dar.

Daher wird jeder sein Bestes tun, um zu verhindern, dass Satelliten zu hoch fliegen, um die Auswirkungen von Strahlungsgürteln zu vermeiden. Natürlich darf es nicht zu niedrig sein, sonst stürzt es leicht ab. Dann wird diese Höhe von mehreren hundert Kilometern zur idealsten Umlaufbahn. Aber manchmal muss man Satelliten weiter fliegen lassen, etwa zum Mond, oder sie über einem bestimmten Punkt auf der Erde fixieren, also die geostationäre Umlaufbahn in über 30.000 Kilometern Höhe erreichen, dann muss man das Strahlungsproblem stärker berücksichtigen. Natürlich können wir die Dicke der Schutzpanzerung erhöhen, aber schließlich ist das Gewicht des Raumfahrzeugs begrenzt und die Panzerung kann nicht unbegrenzt erhöht werden. Man muss also den Strahlungsgürtel besser verstehen und beispielsweise wissen, woher diese Teilchen kommen. Wie werden sie beschleunigt? Wie sind sie im Raum verteilt?

Und wie wird sich die Verteilung dieser energiereichen Teilchen verändern, wenn Sonnenaktivität vorhanden ist? Mittlerweile betreiben die größten Weltraummächte der Welt Forschungen auf diesem Gebiet und mein Land hat außerdem Dienste zur Vorhersage des Weltraumwetters ins Leben gerufen, die auch die Verteilung hochenergetischer Teilchen im Strahlungsgürtel erfassen. Auf diese Weise können wir in kritischen Momenten gezielte Ausweichmaßnahmen ergreifen oder zumindest einige Instrumente abschalten, um größere Verluste zu vermeiden.

Schließlich dürfen uns diese winzigen Teilchen nicht davon abhalten, dem Sternenmeer entgegenzulaufen.

Dieser Artikel ist eine vom Science Popularization China Starry Sky Project unterstützte Arbeit

Autor: Zhou Xuzhi

Gutachter: Liu Yong (Forscher am National Space Science Center, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.