Wird Weltraumschrott die Reise der Menschheit zu den Sternen und zum Meer behindern?

Wichtige Punkte

★ Wenn der Weltraumschrott lawinenartig anwächst, wird er der Menschheit den Weg zu den Sternen und zum Meer versperren.

★ Die kostengünstige und effiziente Beseitigung von Weltraummüll ist eine technische Herausforderung, vor der wir stehen.

Paul und ich benutzten den Booster, um näher heranzukommen. Als wir das Verbindungsseil festmachten, erschien plötzlich ein Loch in Pauls Maske ... Luft strömte aus der Maske, und er flog weit weg. Ich musste zusehen, wie er sich drehte ... Auf der rechten Seite seines Mundes war ein Loch von der Größe einer Ein-Dollar-Münze. Dieses Loch ließ ihn wie ein seltsames großes Maul aussehen. Aber er hatte ein Lächeln im Gesicht. Er muss augenblicklich sein Leben verloren haben, und dieses kurze Lächeln erstarrte für die Ewigkeit. Es schien zu zeigen, wie zerbrechlich das Leben ist.

Glücklicherweise ist der oben erwähnte tragische Weltraumunfall nur eine fiktive Handlung in Yuan Yingpeis Roman „Space Kamikaze“. Doch wenn wir nicht eher früher als später mit der Bedrohung durch Weltraumschrott beginnen, könnte dieses Szenario in Zukunft Wirklichkeit werden.

Von giphy

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Wer hat den Weltraumschrott weggeworfen?

Als Weltraumschrott, auch als Weltraummüll oder Weltraumtrümmer bekannt, werden alle verlassenen, von Menschenhand geschaffenen Objekte bezeichnet, die sich im Weltraum in der Umlaufbahn befinden. Sie reichen von großen Fragmenten, die durch den Zerfall von Satelliten entstanden sind, bis hin zu ausrangierten Raumfahrzeugen wie den oberen Stufen von Raketen und verlassenen Satelliten; bis hin zu kleinen Fragmenten wie von Flugzeugen abgeworfenen Beschichtungen, Partikeln, die durch die Verfestigung von aus Flugzeugen austretenden Flüssigkeiten entstehen, und unverbrannten Feststoffpartikeln aus Feststoffraketentriebwerken.

Die Quellen von Weltraummüll sind vielfältig und umfassen unter anderem menschliches Verstreuen, Missionsreste, verlassene Raumfahrzeuge, Antisatellitentests usw.

So verteilten die USA in den 1960er Jahren beispielsweise 430 Millionen Kupfernadeln, die weniger als zwei Zentimeter lang und dünner als ein Haar waren, in der Umlaufbahn, um einen wolkenartigen Ring zu bilden, der Funksignale reflektierte, damit die US-Truppen in Übersee besser mit ihrem Heimatland kommunizieren konnten. Diese Kupfernadeln wurden schließlich zu Weltraumschrott und eine beträchtliche Anzahl von ihnen befindet sich noch heute im Orbit.

Es gibt auch Weltraumschrott, der von Tests mit Antisatellitenwaffen stammt. So versuchten die USA beispielsweise im Jahr 1985, einen Satelliten mit einer Rakete zu zerstören, wodurch Tausende von Weltraumschrott mit einer Größe von über einem Zentimeter entstanden. Da das Experiment in einer relativ niedrigen Umlaufbahn durchgeführt wurde, wurden die meisten Trümmer glücklicherweise von der Schwerkraft mitgerissen und verglühten in der Atmosphäre.

Am 15. November 2021 zerstörte Russland zudem einen verlassenen militärischen Aufklärungssatelliten mit einer Rakete. Dadurch entstanden Tausende von nachverfolgbaren Fragmenten und möglicherweise Hunderttausende kleinerer Teile. Diese Trümmer werden jahrelang oder sogar jahrzehntelang in der Umlaufbahn bleiben und könnten das Leben der Astronauten auf der Internationalen Raumstation gefährden.

Zusätzlich zu dem oben erwähnten „Weltraum“-Zeug gibt es unter dem vorhandenen Weltraumschrott noch einige noch bizarrere Dinge …

Zum Beispiel ein Handschuh, den der Astronaut Edward White bei einem Außenbordeinsatz verlor; eine Kamera, die Michael Collins während der Gemini-10-Mission verloren hat; und Müllsäcke, ein Schraubenschlüssel und eine Zahnbürste, die während der 15 Betriebsjahre der Raumstation Mir weggeworfen wurden.

Ein anderer Astronaut verlor eine Zange, als er die Solarmodule der Internationalen Raumstation reparierte, und ein Astronaut verlor während eines Außenbordeinsatzes auf STS-126 einen Werkzeugsatz in Aktentaschengröße.

Der während STS-126 verlorene Werkzeugsatz (Bildmitte)

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Warum ist Weltraumschrott so tödlich?

Manche Freunde fragen sich vielleicht: Scheint dieser Müll im Weltraum nicht viel größer zu sein als der Müll im Alltag? Welchen Schaden könnte es anrichten? Es geht doch nur darum, den großen Müll zu vermeiden und den kleinen zu ignorieren, oder?

Der Grund ist eigentlich ganz einfach: die Geschwindigkeit. Wenn es Ihnen jemand mit der Hand zuwirft, können Sie es leicht fangen. Wird es jedoch mit einer Geschwindigkeit von Hunderten von Metern pro Sekunde aus dem Lauf einer Pistole auf Sie abgefeuert, führt dies zum Tod. Die Bewegungsgeschwindigkeit von Weltraumschrott ist weitaus größer als die von Kugeln.

Der Grund, warum Weltraumschrott eine tödliche Bedrohung für Raumfahrzeuge im Orbit darstellt, liegt genau an den Hochgeschwindigkeitskollisionen von Weltraummüll. Im Verhältnis zur Erde beträgt die Geschwindigkeit von Weltraumschrott oft mehr als 7,5 km/s, während die Geschwindigkeit einer Gewehrkugel nur etwa 1 km/s beträgt. Weltraummüll kann mit Raumfahrzeugen kollidieren und die Höchstgeschwindigkeit kann bis zu 15 km/s betragen. Obwohl ein zentimetergroßes Stück Weltraumschrott unbedeutend erscheinen mag, reicht es aus, um einen ganzen Satelliten zu zerstören. Schon millimetergroße Trümmer können einen Satelliten beschädigen.

Einschlagkrater des US-Space Shuttles

Durch Weltraumschrott beschädigte Solarmodule auf der russischen Raumstation Mir

03Wie können durch Weltraummüll verursachte Unfälle verhindert werden?

Um versehentliche Schäden durch Weltraummüll zu verhindern, wurden vier Methoden vorgeschlagen. Dazu gehören Überwachung und Frühwarnung, Kollisionsvermeidung und -schutz, Deorbit- und Entsorgungsstrategien sowie aktive Entfernung.

Überwachung und Frühwarnung

Die Überwachung von Weltraummüll, seine Katalogisierung und die Bereitstellung von Kollisionswarnungen sind der erste Schritt zur Verringerung des Risikos von Weltraummülleinschlägen. Jede große Weltraummacht hat ein Weltraumüberwachungsnetzwerk aufgebaut, wie etwa das Space Surveillance Network der Vereinigten Staaten, das sowohl weltraumgestützte Satellitenplattformen als auch erdgestützte Radargeräte und optische Teleskope umfasst.

Der „Weltraumzaun“ der USA zur Weltraumzielüberwachung von zwei Generationen.

Links: Die erste Generation, die in den Vereinigten Staaten eingesetzt wird; rechts: Die zweite Generation im Auslandseinsatz

Kollisionsvermeidung und -prävention

Kollisionsvermeidung und -schutz sind Möglichkeiten, der möglichen Gefahr einer Kollision mit Weltraummüll durch „Verstecken“ und „Verhindern“ zu begegnen. Wenn ein hohes Risiko einer Kollision zwischen einem Raumfahrzeug im Orbit und größerem Weltraumschrott (größer als 10 cm) oder anderen Objekten besteht, ist die einfachste und direkteste Möglichkeit, die Kollision zu vermeiden, eine Änderung der Umlaufbahn. Dies geht allerdings auf Kosten des Kraftstoffverbrauchs und der Verkürzung der Lebensdauer. Von ihrer Inbetriebnahme im Jahr 1999 bis September 2020 hat die Internationale Raumstation 28 Mal ihre Umlaufbahn geändert, um Weltraumschrott auszuweichen, darunter drei Änderungen zur Kollisionsvermeidung von Januar bis September 2020.

Bei kleineren Trümmern kann der eigene Schutzgrad des Raumfahrzeugs verbessert werden, um dem Aufprall von Weltraummüll direkt standzuhalten.

Entgegen der allgemeinen Auffassung ist es kein effizienter Ansatz, einfach die Dicke der Raumfahrzeughülle zu erhöhen. Oftmals werden die bereits 1947 von Fred Whipple vorgeschlagenen mehrschichtigen Schutzmaßnahmen gegen Mikrometeoroiden aus dem Weltraum übernommen. Whipple schlug vor, dass ein Mikrometeoroid, nachdem er ein Material mit einer Dicke durchdrungen hat, die mit seiner eigenen Größe vergleichbar ist, aufgrund der hohen Temperatur verdampft und ionisiert. Daher ist es lediglich erforderlich, eine etwa 6–7 mm dicke Materialschicht in einem Abstand von 1 Zoll außerhalb des Raumfahrzeugs anzubringen, um es vor dem Aufprall von Mikrometeoroiden aus dem Weltraum zu schützen. Dieser Schutz wird Whipple-Schutz genannt. Derzeit sind sowohl die Internationale Raumstation als auch die Tiangong-Raumstation meines Landes mit Whipple-Schutzplatten ausgestattet.

Auf der linken Seite wird die Simulation einer bloßen Verdickung der Lagerhauswand gezeigt, während auf der rechten Seite die Wirkung des Hinzufügens von Whipple-Schutzplatten dargestellt wird. Bild von der NASA

Deorbit und Entsorgung

Aufgrund des Luftwiderstands senken Satelliten in niedrigen Umlaufbahnen ihre Umlaufbahnen auf natürliche Weise ab. Nach dem Ende seiner Lebensdauer muss ein erdnaher Satellit nicht entsorgt werden, wenn er innerhalb von 25 Jahren wieder in die Atmosphäre eintreten und abstürzen kann. Wenn die Umlaufbahnhöhe nicht zu niedrig ist, sind entsprechende Deorbitierungsmaßnahmen erforderlich, um die Umlaufbahn abzusenken und der Empfehlung nachzukommen, innerhalb von 25 Jahren abzusinken.

Bei Satelliten in geostationären Umlaufbahnen kann die Umlaufbahn nach dem Ende ihrer Lebensdauer in eine „Friedhofsumlaufbahn“ angehoben werden. Durch die Friedhofsumlaufbahn kann sichergestellt werden, dass verlassene Satelliten die normale geostationäre Umlaufbahn nicht kreuzen, wodurch die Sicherheit funktionierender Satelliten in der geostationären Umlaufbahn gewährleistet wird. Um die Gefahr von Weltraummüll weiter zu verringern und unnötige Zerfallsvorgänge zu vermeiden, muss außerdem die innere Energie des Raumfahrzeugs oder Raketenkörpers beim Abwerfen verbraucht werden, was Folgendes umfasst: (1) Ablassen oder Verbrennen des Treibstoffs; (2) Entladen der Batterie; und (3) Ablassen des Kabinendrucks.

Aktive Entfernung

Angesichts der zunehmenden Menge an Weltraummüll im erdnahen Weltraum besteht ein geeigneterer Weg, damit umzugehen, darin, ihn aktiv zu entfernen. Derzeit befindet sich die aktive Entfernung noch in der theoretischen Forschungs- und Versuchsphase. Zu den üblichen Lösungen gehören das Abstoßen der Umlaufbahn nach der Befestigung, das Abstoßen der Umlaufbahn mit einem flexiblen Netz und das Abstoßen der Umlaufbahn durch Laserablation.

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Um der Sterne und des Meeres willen können wir die Müllmenge wirklich nicht erhöhen

Derzeit sind über 20.000 Weltraumschrottteile katalogisiert, und über 100 Millionen Trümmerteile, die kleiner als ein Zentimeter sind, können aufgrund begrenzter Beobachtungsmethoden nicht verfolgt werden. Tatsächlich hatten Wissenschaftler bereits in den 1970er Jahren die Theorie aufgestellt, dass der Zerfall von Satelliten und anderen Raumfahrzeugen durch Kollisionen eine Kettenreaktion auslösen könnte.

Die Anzahl der größeren Trümmer jedes Typs, die vom Orbital Debris Project Office im Johnson Space Center der NASA gezählt wurden

Dies ist als Kessler-Syndrom bekannt. Einfach ausgedrückt: Wenn die Zahl der großen Abfallobjekte nicht deutlich reduziert wird, werden die durch Kollisionen entstehenden Fragmente zu einer wichtigen Quelle für neuen Müll, da es immer wieder zu zufälligen Kollisionen zwischen Objekten kommt. Dies führt zu einer Kettenreaktion, die der Explosion einer Atombombe ähnelt und zu immer mehr Kollisionen führt. Weltraumschrott umgibt nach und nach die Erde und macht neue Weltraumstarts unmöglich.

Wenn die Menge des Weltraummülls zu groß wird und die kritische Dichte überschreitet, tritt der „Kessler-Effekt“ ein, der zu einem lawinenartigen Wachstum führt und den Weg der Menschheit zu den Sternen und zum Meer behindert.

Zu diesem Zweck entwickeln die Vereinigten Staaten, Europa, Russland und mein Land Technologien zur aktiven Beseitigung von Weltraummüll. Die kostengünstige und effiziente Beseitigung von Weltraummüll ist eine technische Herausforderung, der wir uns stellen müssen. Ich bin davon überzeugt, dass mit der Zunahme menschlicher Weltraumaktivitäten in der Zukunft eine Weltraummüll-Recyclingindustrie wie im Roman „Space Kamikaze“ und im Zeichentrickfilm „Star Cleaners“ entstehen wird.

Autor | Zhou Binghong

Botschafter für die Popularisierung der chinesischen Weltraumwissenschaft, stellvertretender Direktor des Space Science Communication Expert Studio, Forscher des National Space Science Center der Chinesischen Akademie der Wissenschaften

Wirtschaftsprüfung | Liu Yong

Botschafter für die Popularisierung der chinesischen Weltraumwissenschaften, Forscher und Doktorvater am National Space Science Center der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, Doktor der Wissenschaften der University of New Hampshire, Direktor der China Science Writers Association, Sonderexperte der Space Science and Technology Education Alliance

Herausgeber | Ding Zong

Dieser Artikel wird von der „Science Rumor Refutation Platform“ (ID: Science_Facts) erstellt. Bei Nachdruck bitten wir um Quellenangabe.