Neben Weltraumschrott stellen sie auch eine Bedrohung für Raumfahrzeuge dar!

Vor nicht allzu langer Zeit veröffentlichten die NASA, die ESA und die kanadische Weltraumbehörde gemeinsam einen Bewertungsbericht, aus dem hervorging, dass das Webb-Weltraumteleskop sechs Mikrometeoriteneinschläge erlitten hatte, von denen einer die C3-Linse traf und einen irreparablen Unfall am Teleskop verursachte. Wie wir alle wissen, gibt es in der erdnahen Umlaufbahn eine große Menge Weltraummüll, und das Webb-Teleskop operiert in der L2-Halo-Umlaufbahn 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt und kann der Katastrophe durch Mikrometeoriten nicht entgehen. Was kann im Universum außer Weltraumschrott noch eine Bedrohung für Raumfahrzeuge darstellen?

Natürlicher Meteoreinschlag

Im Jahr 2021 gab die NASA bekannt, dass sich laut der Erkennung und Verfolgung durch das US-amerikanische Space Surveillance Network (SSN) mindestens 27.000 Teile Weltraumschrott in der Erdumlaufbahn befinden. Bedenkt man, dass das SSN damals nur Ziele in niedrigen Erdumlaufbahnen mit einer Größe von etwa 10 Zentimetern erfassen konnte, ist die tatsächliche Menge an Weltraumschrott weitaus größer als die tatsächlich erfasste Menge.

Wir alle wissen, dass Weltraummüll sehr schädlich ist. Sowohl die Internationale Raumstation als auch die chinesische Raumstation haben ihre Umlaufbahnen geändert, um Weltraumschrott zu vermeiden. Obwohl Weltraummüll zu einer extremen Überfüllung der Erdumlaufbahn geführt hat, übersehen viele Menschen die Tatsache, dass die Erdumlaufbahn nicht leer war, bevor bemannte Raumschiffe ins All vordrangen.

Man wünscht sich gerne etwas von Sternschnuppen, aber Sternschnuppen sind eigentlich keine Seltenheit. Forschungsergebnisse eines von Frankreich geleiteten Wissenschaftlerteams zeigen, dass jedes Jahr insgesamt etwa 5.200 Tonnen Mikrometeoriten auf die Erdoberfläche fallen.

Eine große Anzahl kleiner Meteoriten und Mikrometeoriten fällt Tag und Nacht in die Erdatmosphäre, was bedeutet, dass es selbst in der weit von der Erde entfernten Umlaufbahn L2 schwierig ist, den Gefahren durch verschiedene Mikrometeoriten auszuweichen.

In Wirklichkeit sind Mikrometeoriten Gesteinsbrocken und Bruchstücke größerer Himmelskörper, die möglicherweise schon existierten, als das Sonnensystem entstand. Es kann sich aber auch um Bruchstücke späterer Kometen und Asteroiden handeln, die ausgestoßen oder zerbrochen wurden.

Obwohl der riesige Schweif eines Kometen wunderschön ist, wissen nur wenige Menschen, dass ein Komet bei jeder Annäherung an die Sonne eine große Zahl von Objekten ausstößt, die zu neuen Mikrometeoroiden im Weltraum werden. Gleichzeitig kann ein Komet am Ende seines Lebens auseinanderbrechen und zerfallen, wobei eine große Zahl von Mikrometeoriten entsteht.

Der berühmte Meteorschauer der Leoniden ist das Ergebnis des Ausbruchs des Kometen Temple-Tuttle und des Eintritts seiner Fragmente in die Atmosphäre. Die Mikrometeoriteneinschläge, die Webb jetzt erlebt, sind nur der Anfang. Das Teleskop wird in den Jahren 2023–2024 auch den Mikrometeorgürtel durchqueren, den der Halleysche Komet hinterlassen hat, und wird dann zweifellos größeren Herausforderungen ausgesetzt sein.

Strahlungspartikel stellen eine große Bedrohung dar

Mikrometeoriten stellen eine der größten Bedrohungen für Raumfahrzeuge dar, doch die raue Umgebung des Weltraums beschränkt sich nicht nur auf Mikrometeoriten. Neben der jedem bekannten Vakuumumgebung stellt die hochenergetische Strahlung die größte Bedrohung dar. Zu den Strahlungsquellen im Weltraum zählen hochenergetische Teilchen, die von der Sonne ausgestoßen werden, Strahlungsgürtel, die durch das Magnetfeld der Erde gebildet werden, und hochenergetische kosmische Strahlung aus der Milchstraße.

In einer Vakuumumgebung verdampfen oder zersetzen sich viele nichtmetallische Materialien bei höheren Temperaturen. Beispielsweise weist herkömmlicher Kautschuk bei 190 Grad Celsius eine jährliche Zersetzungsrate von 10 % auf, während Nylon und Epoxidharz niedrigere Temperaturen erfordern, wenn ihre jährliche Zersetzungsrate 10 % erreicht.

In diesem Sinne kann Sonnenlicht einige Materialien an Bord eines Raumfahrzeugs gefährden. Bei Raumfahrzeugen, die über einen langen Zeitraum im Weltraum betrieben werden, besteht durch die sorgfältige Auswahl der Außenmaterialien kein Grund zur Sorge hinsichtlich Verdampfung und Zersetzung durch hohe Temperaturen. Allerdings stellt die energiereiche Strahlung von Himmelskörpern wie der Sonne nach wie vor eine nicht zu ignorierende Bedrohung dar.

Die Gesundheit der Astronauten ist bei bemannten Raumflügen von größter Bedeutung, und bemannte Raumfahrzeuge haben besondere „Angst“ vor der Gefahr durch Strahlung. Sonneneruptionen setzen große Mengen an Ultraviolett- und Röntgenstrahlen sowie eine große Zahl hochenergetischer Protonen frei. Ihre Ausbrüche sind unregelmäßig und unvorhersehbar. Die Strahlendosis großer Sonneneruptionen ist sehr hoch. Wenn Astronauten nicht ausreichend geschützt sind, können sie an Strahlenkrankheit erkranken oder sogar sterben.

Die galaktische kosmische Strahlung ist sehr energiereich und man kann sich schwerer davor schützen, ihre jährliche Strahlungsdosis ist jedoch viel geringer als die einer großen Sonneneruption. Glücklicherweise schirmt das Magnetfeld der Erde den größten Teil der Strahlung aus dem Weltraum ab. Wenn sich das Raumfahrzeug unterhalb des Van-Allen-Strahlungsgürtels der Erde befindet und über eine Metallhülle verfügt, die einen Teil der Weltraumstrahlung abschirmen kann, sind keine besonderen Strahlenschutzmaßnahmen erforderlich. Allerdings ist der Strahlenschutz für Raumfahrzeuge, die in den Weltraum fliegen, sehr schwierig, was auch eines der Hindernisse für zukünftige bemannte Flüge in den Weltraum darstellt.

Auch für unbemannte Raumfahrzeuge stellt die Weltraumstrahlung eine Gefahr dar. Die starken ultravioletten Strahlen, Röntgenstrahlen und hochenergetischen geladenen Teilchen der Sonne können einige der Nutzlasten des Raumfahrzeugs beeinträchtigen. Insbesondere starke ultraviolette Strahlen können den Zerfall organischer Stoffe beschleunigen.

Bei manchen Weltraumastronomieeinrichtungen müssen zudem spezielle Teile abgeschirmt werden. Gleichzeitig können Sonneneruptionen und galaktische kosmische Strahlung auch die elektronische Ausrüstung des Raumfahrzeugs beeinträchtigen und sogar zu Ausfällen der elektronischen Ausrüstung des Raumfahrzeugs führen.

Nicht viele Optionen zum Schutz

Die Weltraumumgebung ist extrem rau. Um einer solch rauen Umgebung standzuhalten, wurden für die von verschiedenen Ländern entwickelten Raumfahrzeuge nach und nach unterschiedliche Abwehrmaßnahmen entwickelt.

Es gibt nicht nur natürliche Mikrometeoriten in erdnahen Umlaufbahnen, sondern auch künstlich erzeugten Weltraumschrott. Raumfahrzeuge, insbesondere bemannte Raumfahrzeuge, müssen die notwendigen Schutzmaßnahmen ergreifen. Derzeit verlassen sich die von Ländern auf der ganzen Welt entwickelten Raumfahrzeuge hauptsächlich auf Hartmetallschalen, um Stöße abzuwehren und sicherzustellen, dass die luftdichte Kabine nicht durchdrungen wird.

Bei unbemannten Raumfahrzeugen hat die Kollisionsvermeidung zwar eine geringere Priorität, dennoch müssen auch hier bestimmte Maßnahmen ergriffen werden. Am Beispiel des Hubble-Weltraumteleskops in den USA ist zu sehen, dass sich sein Ritchie-Chrétien-Reflektor (RC) in einer langen Röhre befindet und die Röhre selbst eine gewisse Schutzfunktion erfüllt. Darüber hinaus verfügt es über eine Rohrabdeckung, die bei Bedarf geschlossen werden kann, um einen Treffer durch Mikrometeoriten zu vermeiden.

Im Vergleich zum Hubble, das in einer niedrigen Erdumlaufbahn operiert, ist das Webb-Teleskop, das in einer Halo-Umlaufbahn L2 operiert, mit einer wesentlich geringeren Dichte an Mikrometeoriten konfrontiert. Allerdings ist Webbs legendärer Hitzeschild in Tennisplatzgröße immer noch speziell dafür ausgelegt, Mikrometeoriteneinschlägen standzuhalten. Die Hauptmethode besteht darin, eine große Anzahl von Verstärkungsstreifen zu einem „reißfesten“ Gitter zu verbinden, das sicherstellen soll, dass die durch Mikrometeoriteneinschläge verursachten Löcher nicht über das Gitter hinausragen.

Was Webbs Objektiv betrifft, so haben die Kratzer auf dem Reflektor einerseits kaum Auswirkungen auf die Bildgebung, was auch durch den veröffentlichten Bericht bestätigt wird; Andererseits können wir nur beten, dass es nicht zu einem großen Mikrometeor-Einschlag kommt.

Darüber hinaus müssen Raumfahrzeuge der Bedrohung durch hochenergetische Strahlung aus dem Weltraum standhalten, wofür sie derzeit hauptsächlich auf rohe Gewalt angewiesen sind. Die Aluminiumgehäuse aktueller Raumfahrzeuge können einen Teil der Weltraumstrahlung abschirmen, doch Schutzmaßnahmen in der Tiefsee müssen noch in der Praxis erprobt werden.

Als Reaktion auf hochenergetische geladene Teilchenströme und kosmische Strahlung hat die NASA außerdem die Idee vorgeschlagen, innerhalb oder außerhalb der Kabine eine Wasserschicht hinzuzufügen, um einen Strahlenschutz zu bieten. Sie verfügen außerdem über das Konzept eines Magnetosphärenschilds, bei dem mithilfe supraleitender Elektromagnete starke Magnetfelder erzeugt werden, um einen Strahlungsschild zu bilden und so die Schäden durch Weltraumstrahlung für Astronauten zu verringern.

Bei unbemannten Raumfahrzeugen ist der Strahlenschutz viel einfacher. Um beispielsweise die Einzelteilcheneffekte hochenergetischer Teilchen zu bekämpfen, gibt es sowohl die besten strahlungsresistenten Chips in Luft- und Raumfahrtqualität als auch die Redundanzmaßnahmen mehrerer kommerzieller Chips, die von Unternehmen wie SpaceX übernommen wurden.

Darüber hinaus müssen bei der Konstruktion von Raumfahrzeugen auch die Auswirkungen hochenergetischer Strahlung auf Solarzellen, Batterien, Isoliermaterialien und elektronische Geräte umfassend berücksichtigt werden. Durch Maßnahmen wie Strahlenschutzverstärkung und redundante Auslegung kann die Bedrohung durch hochenergetische Strahlung im Weltraum grundsätzlich abgewehrt werden.