Wohin geht ein Raumschiff, wenn es außer Dienst gestellt wird?

Vor Kurzem ist das Frachtraumschiff Tianzhou-3 nach Abschluss seiner Mission kontrolliert wieder in die Atmosphäre eingetreten. Die meisten Komponenten des Raumfahrzeugs verbrannten und eine kleine Menge Trümmer fiel in die dafür vorgesehenen Gewässer im Südpazifik, was den erfolgreichen Abschluss der Mission Tianzhou-3 verkündete. Wie kann man also mit den Raumfahrzeugen umgehen, die derzeit im Weltraum im Einsatz sind, nachdem sie außer Dienst gestellt wurden?

Das letzte Bild, das die Raumsonde Tianzhou-3 vor ihrem Absturz zurückschickte

Die Wiedereinführung der „Einäscherung“ hat viele Vorteile

Die Raumsonde Tianzhou-3 trat erfolgreich wieder in die Atmosphäre ein und verglühte, was die häufigste Art der Außerdienststellung einer Raumsonde ist. Verschiedene Raumfahrzeuge in niedrigen Erdumlaufbahnen – seien es Kommunikationssatelliten, Fernerkundungssatelliten, Wettersatelliten, bemannte Raumfahrzeuge, Frachtraumfahrzeuge oder Raumstationen – wählen im Allgemeinen die Methode der „Einäscherung“, bei der sie nach ihrer Außerdienststellung wieder in die Atmosphäre eintreten und verbrennen.

Unter Wiedereintritt versteht man die passive oder aktive Änderung der Umlaufbahn, um die Umlaufbahnhöhe zu senken und am Ende der Lebensdauer des Raumfahrzeugs wieder in die Atmosphäre einzutreten. Da Raumfahrzeuge in niedrigen Erdumlaufbahnen sehr schnell fliegen und beim Wiedereintritt in die Atmosphäre einer starken Reibung mit der Atmosphäre ausgesetzt sind, werden die hohen Temperaturen und der hohe Druck das wiedereintretende Raumfahrzeug zerstören. Daher werden die meisten Teile in der Atmosphäre vollständig verbrennen.

Bei den meisten Raumfahrzeugen kann nur eine sehr kleine Anzahl hochtemperaturbeständiger Ausrüstung auf die Erde fallen, sodass die Wiedereintritts-Einäscherungsmethode das Problem der Entsorgung ausgemusterter Raumfahrzeuge ein für alle Mal löst.

Wenn das Raumfahrzeug zu groß und zu schwer ist, kann es sein, dass noch viel Schutt übrig bleibt, der nicht vollständig ausgebrannte ist. Diese mit hoher Geschwindigkeit auf die Erde stürzenden „Außerirdischen“ sind für die Menschen völlig unerwartete Katastrophen. Glücklicherweise ist der Landepunkt eines unkontrollierten Wiedereintritts eines Raumfahrzeugs zufällig und die meisten Gebiete auf der Erdoberfläche sind noch immer dünn besiedelt. Bisher gab es keine Opfer durch die Trümmer eines wieder eintretenden Raumfahrzeugs.

Um die Gefahr zu verringern, dass nach dem Wiedereintritt und der Verbrennung des Raumfahrzeugs noch Trümmer übrig bleiben, ist es am besten, wenn das Raumfahrzeug aktiv und kontrolliert wiedereintritt und in einem unbewohnten Gebiet landet. Es gibt auf der Erde ein Gebiet, das nicht nur riesig und dünn besiedelt ist, sondern über das es auch nur wenige See- und Luftwege gibt. Es ist der riesige Südpazifik.

Mitten im Südpazifik gibt es einen Ort namens Point Nemo. Es ist mehr als 2.600 Kilometer vom nächsten Kontinent entfernt. Sie können sich vorstellen, wie groß das leere Meeresgebiet um Point Nemo ist. Raumschiffe mit kontrolliertem Wiedereintritt, wie etwa die Frachtraumschiffe der Tianzhou-Serie meines Landes, werden im Allgemeinen über den unbewohnten Gewässern des Südpazifiks eingeäschert.

Im Jahr 2001 trat auch die russische Raumstation Mir wieder in die Atmosphäre ein und brannte über dem Südpazifik. Um die Bedrohung und den Schaden für die Menschheit zu minimieren, soll in Zukunft auch die riesige Internationale Raumstation in diesem Gebiet eingeäschert werden.

Die Umlaufbahn des Satelliten „Sky Burial“ ist hoch

Die Wiedereintrittseinäscherung ist ein relativ sauberer Prozess, aber nicht die einzige Möglichkeit, ein Raumfahrzeug außer Dienst zu stellen. Bei Satelliten in mittleren und hohen Umlaufbahnen ist es aufgrund der Leistungseinschränkungen ihres Antriebssystems am Ende ihrer Lebensdauer nicht möglich, wieder in die Atmosphäre einzutreten. Sie werden normalerweise „im Himmel begraben“.

Das typischste Beispiel für eine Himmelseinbettung ist der Satellit in geosynchroner Umlaufbahn. Im Jahr 1997 formulierte das Internationale Koordinierungskomitee für Weltraummüll eine Regelung zum besseren Umgang mit Satelliten in geosynchronen Umlaufbahnen. Diese verpflichtet die Länder, ihre Umlaufbahnen auf eine 300 Kilometer über der synchronen Umlaufbahn liegende Friedhofsumlaufbahn zu bringen, bevor der Satellit ausfällt.

Durch die Vergrabung von Satelliten im Weltraum können wertvolle geosynchrone Umlaufbahnen freigegeben und Kollisionen zwischen toten und normalen Satelliten sowie durch Explosionsfragmente toter Satelliten verursachte Einschläge vermieden werden. Auf diese Weise wird der normale Betrieb von Satelliten in geosynchronen Umlaufbahnen sichergestellt.

Wie wir alle wissen, nimmt die Umlaufhöhe des Raumfahrzeugs aufgrund des Einflusses des Luftwiderstands in großen Höhen in einer niedrigen Erdumlaufbahn allmählich ab. Dies ist auch der grundlegende Grund, warum sich die Raumsonde Tianzhou für den Wiedereintritt und die anschließende Verbrennung entschied. Im Gegenteil, in hohen Umlaufbahnen ist die Situation anders. In synchronen Umlaufbahnen und höheren Friedhofsumlaufbahnen ist der Einfluss des Luftwiderstands sehr gering, während die Gravitationsstörungen der asphärischen Erdoberfläche sowie von Sonne und Mond zum Hauptfaktor werden. Gravitationsstörungen führen zu periodischen Änderungen der Umlaufbahnhöhe. Bei Satelliten mit einer Exzentrizität von weniger als 0,003 beträgt die Abweichung der Bahnhöhe im Allgemeinen nicht mehr als 35 Kilometer.

Auch der Strahlungsdruck des Sonnenlichts kann Störungen verursachen, dies hängt jedoch mit dem Reflexionskoeffizienten, der Reflexionsfläche und der Masse des Satelliten zusammen. Unter Berücksichtigung des Einflusses der asphärischen Erdoberfläche, dreier Körper und des Sonnendrucks reicht der Höhenunterschied von 300 Kilometern aus, um sicherzustellen, dass tote Satelliten, die nach ihrer Außerdienststellung in die Friedhofsumlaufbahn eintreten, den normalen Betrieb und die Manöver von Satelliten in synchroner Umlaufbahn Hunderte von Jahren oder sogar länger nicht beeinträchtigen.

Kurz gesagt bedeutet die Himmelsbestattung eines Satelliten, dass dieser in eine Grabumlaufbahn mit einer höheren Umlaufbahnhöhe geschickt wird, was dem Vergraben des Mülls auf dem Boden entspricht, mit dem Unterschied, dass die Bestattungshöhe im Weltraum höher ist.

Obwohl die Himmelseingrabung nicht die beste Methode ist, das Problem ausgemusterter Raumfahrzeuge vollständig zu lösen, wird sie den normalen Betrieb der Satelliten kurz- und mittelfristig nicht beeinträchtigen. Schließlich ist die Höhe dieses Weltraumfriedhofs hoch genug.

Sanierung und Nutzung werden realisiert

Ob es sich nun um die Einäscherung durch kontrollierten Wiedereintritt in die erdnahe Umlaufbahn der Erde oder die Himmelsbestattung in der synchronen geostationären Umlaufbahn in hoher Umlaufbahn handelt, es handelt sich um Methoden, die erst in den letzten Jahrzehnten verfügbar waren. Seit der Mensch 1957 ins All vordrang, ist die Erdumlaufbahn mit verlassenen Raumfahrzeugen und Weltraumschrott aller Art gefüllt.

Für manche verlassene Raumfahrzeuge in niedrigen Umlaufbahnen besteht aufgrund des Luftwiderstands möglicherweise noch die Hoffnung, dass sie nach Dutzenden oder Hunderten von Jahren wieder in die Atmosphäre eintreten und verglühen. Für verlassene Raumfahrzeuge und Raumtrümmer in hohen Umlaufbahnen besteht jedoch überhaupt keine Möglichkeit zu verschwinden, und aktive Raumfahrzeuge werden möglicherweise aufgrund von Fehlfunktionen außer Dienst gestellt und können ihre Umlaufbahn nicht aktiv anpassen. Daher wurde unter diesen Umständen die Technologie zur aktiven Entfernung von Weltraummüll auf die Tagesordnung gesetzt, wodurch ein neuer Weg für die Außerdienststellung von Raumfahrzeugen eröffnet wurde.

Derzeit erforschen die größten Weltraummächte der Welt aktiv Technologien zur aktiven Beseitigung von Weltraumschrott und Weltraummüll. Die Europäische Union fördert im Rahmen des „Clean Space Project“ aktiv die Entwicklung und Erprobung von Technologien zur aktiven Entfernung von Weltraummüll.

Im Jahr 2018 startete die ESA die experimentelle Plattform RemoveDEBRIS, um vier saubere Weltraumtechnologien zu testen, darunter Fischernetze, Navigationssysteme, Harpunen und Bremssegel. Die ersten drei Tests waren erfolgreich.

Japan ist außerdem aktiv dabei, Weltraumschrott zu beseitigen. Hierzu zählen unter anderem die Versuche des Frachtraumfahrzeugs HTV-6, mit einem Metallseil anzuziehen und abzubremsen, sowie der erfolgreiche simulierte Einfangstest ELSA-d des kommerziellen Unternehmens Astroscale. Nun hat Astroscale auch einen Auftrag von der britischen Weltraumbehörde erhalten, um im Jahr 2025 einen außer Dienst gestellten Satelliten aus der erdnahen Umlaufbahn zu entfernen.

Die Vereinigten Staaten haben außerdem eine Reihe von Ideen zur Beseitigung verlassener Raumfahrzeuge, einschließlich Weltraumschrott, vorgeschlagen. Die US Space Force hat in Technologien zur aktiven Entfernung von Weltraumschrott investiert, jedoch noch keine konkreten Weltraumtests durchgeführt.

Eine Möglichkeit, das Problem zu lösen, besteht darin, ausgemusterte Raumfahrzeuge als Müll zu behandeln. Die Defense Advanced Research Projects Agency hat außerdem eine andere Idee vorgeschlagen, nämlich die Wiederverwendung ausgemusterter Raumfahrzeuge und die Umwandlung von Abfall in Schätze.

Das Phoenix-Projekt der US-amerikanischen Defense Advanced Research Projects Agency zielt darauf ab, die Nutzung ausgemusterter Raumfahrzeuge zu untersuchen und ihre noch funktionierenden Teile zum Bau neuer Raumfahrzeuge wiederzuverwenden. Das typische Konzept des Phoenix-Projekts besteht darin, die großen Antennen von Kommunikationssatelliten in geostationären Umlaufbahnen wiederzuverwenden. Dieses Recycling-Konzept entspricht der Körperspende und kann als einzigartige Möglichkeit zur Außerdienststellung von Raumfahrzeugen angesehen werden.