49 Starlink-Satelliten gerieten in einen geomagnetischen Sturm. Ist die Sonne schuld?

◎ Tang Fang, Reporter der Science and Technology Daily

Kürzlich gab die US-amerikanische Space Exploration Technologies Corporation (SpaceX) auf ihrer offiziellen Website bekannt, dass aufgrund eines geomagnetischen Sturms bis zu 40 der 49 Starlink-Satelliten, die das Unternehmen am 3. Februar gestartet hatte, bereits in die Atmosphäre eingetreten seien oder kurz davor stünden, am nächsten Tag zerstört zu werden. Das Unternehmen betonte, dass bei diesen aus der Umlaufbahn genommenen Satelliten das Risiko einer Kollision mit anderen Satelliten „null“ sei.

Luo Bingxian, ein Forscher am National Space Science Center der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, erklärte gegenüber Science and Technology Daily, dass am 12. Februar öffentliche Daten zeigten, dass der Absturz von fünf in dieser Serie gestarteten Starlink-Satelliten bestätigt worden sei, mehr als zehn sich noch immer im Orbit befänden und die Situation der übrigen Satelliten noch unklar sei.

„Die Wahrscheinlichkeit, dass diese aus der Umlaufbahn genommenen Satelliten mit anderen Satelliten kollidieren, ist relativ gering, aber es ist etwas absolut, wenn man sagt, das Risiko sei ‚null‘.“ Lei Jiuhou, Professor an der Fakultät für Erd- und Weltraumwissenschaften der Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas, erklärte gegenüber Science and Technology Daily, dass es beim Start eines Satelliten in naher Zukunft immer noch notwendig sei, den Luftraum außer Kontrolle geratener Satelliten zu vermeiden.

In einer Umlaufbahnhöhe von etwa 210 Kilometern traf der Starlink-Satellit auf den niedrigsten Grad eines geomagnetischen Sturms

Was ist ein geomagnetischer Sturm? Luo Bingxian erklärte, dass der Sonnenwind, wenn er die Erde erreicht, Störungen im Erdmagnetfeld verursacht. Wenn die Störung schwerwiegend ist, handelt es sich um einen geomagnetischen Sturm. In Jahren mit hoher Sonnenaktivität treten geomagnetische Stürme häufiger und in stärkerem Ausmaß auf.

„Der geomagnetische Sturm, der während des Schadensvorfalls am Starlink-Satelliten auftrat, war von niedrigster Stärke.“ Luo Bingxian erklärte gegenüber Science and Technology Daily, dass der geomagnetische Kp-Index üblicherweise zur Charakterisierung der Stärke geomagnetischer Störungen verwendet wird. Der Kp-Index ist in die Stufen 0 bis 9 unterteilt, und Kp=5 zeigt an, dass ein schwacher geomagnetischer Sturm aufgetreten ist. Die Überwachung des Weltraumwetters zeigte, dass diese Gruppe von Starlink-Satelliten am 4. Februar Ortszeit in etwa 210 Kilometern Entfernung auf einen geomagnetischen Sturm der Stärke Kp=5 traf.

„Geomagnetische Stürme dieses Ausmaßes sind von 1957 bis heute durchschnittlich an mehr als 50 Tagen pro Jahr aufgetreten. In Jahren mit hoher Sonnenaktivität treten sie an mehr als 120 Tagen im Jahr auf.“ Luo Bingxian sagte, dass geomagnetische Stürme geringer Stärke nur geringe Auswirkungen auf gewöhnliche Satelliten in der Umlaufbahn hätten und grundsätzlich kontrollierbar seien.

Kp=9 ist ein starker geomagnetischer Sturm. Die Strahlungs- und Atmosphärenumgebung der Erde wird drastischen Veränderungen unterliegen. Die zuständigen Behörden werden entsprechende Frühwarn-, Schutz- und Vermeidungsmaßnahmen für starke geomagnetische Stürme ergreifen.

Über das Prinzip und den Entstehungsprozess dieses geomagnetischen Sturms sagte Lei Jiuhou, dass die Erde zusätzlich zur Explosion auf der Sonnenoberfläche im Allgemeinen von drei Angriffen getroffen werde: verstärkte elektromagnetische Strahlung (Flares, die die Erde in etwa 8 Minuten erreichen), hochenergetische Partikelströme (die die Erde in etwa 1 Stunde erreichen) und Hochgeschwindigkeitsplasmawolken, die aus der Sonnenkorona ausgestoßen werden.

„Dieses Starlink-Satellitenereignis wurde durch eine M-Klasse-Eruption der Sonne am 29. Januar verursacht, begleitet von einem koronalen Auswurfereignis mittlerer Intensität am 30. Januar.“ Lei Jiuhou führte weiter aus, dass die vom Sonnenwind getragene Plasmamasse am 3. Februar in die Nähe der Erde gelangt sei und mit dem Magnetfeld der Erde interagiert habe. Durch Prozesse wie die Kompression der Oberseite der Magnetosphäre der Erde und die Rekonnexion des Magnetfelds habe sie schwere Störungen in der Magnetosphäre und im Ringstromsystem im Erdraum verursacht und dadurch einen geomagnetischen Sturm erzeugt.

Experten: Geomagnetischer Sturm ist nur ein Auslöser, Schäden könnten durch „Satellitenantriebsstrategie“ entstehen

Obwohl Elon Musk und seine Unternehmen viele Innovationen und Durchbrüche in der Weltraumforschung erzielt haben, wurde der von ihm 2014 vorgeschlagene Starlink-Plan stark kritisiert. Ursprünglich war im Rahmen des Projekts der Start von 12.000 Satelliten ins All geplant, doch dem Unternehmen wurde der Bau von weiteren 30.000 Satelliten genehmigt, wodurch sich die Gesamtzahl der Satelliten auf 42.000 erhöhen könnte. Bis Ende Dezember 2021 hatte das Unternehmen Berichten zufolge fast 1.900 Satelliten gestartet.

„‚Naturkatastrophe‘ und ‚von Menschen verursachte Katastrophe‘ werden miteinander kombiniert.“ Der Analyse von Lei Jiuhou zufolge wurde der Vorfall mit dem Starlink-Satelliten durch einen geomagnetischen Sturm verursacht, der die Erdatmosphäre aufheizte, den Widerstand des Satelliten erhöhte und ihn daran hinderte, seine Umlaufbahn zu erhöhen. Lei Jiuhou wies jedoch darauf hin, dass die Schäden an diesen Satelliten hauptsächlich durch die Antriebsstrategien und das Design der Satelliten verursacht werden könnten und der erhöhte atmosphärische Widerstand lediglich ein auslösender Faktor sei.

Es wird davon ausgegangen, dass Starlink-Satelliten in einer Umlaufbahn von etwa 500 Kilometern mit einer Neigung von etwa 55 Grad operieren. Warum scheiterte es diesmal in einer Umlaufbahnhöhe von 210 Kilometern?

Luo Bingxian wies darauf hin, dass die Antriebsstrategie für diese Gruppe gestarteter Starlink-Satelliten darin besteht, die Satelliten zunächst mit Raketen in eine vorbestimmte Umlaufbahn von 210 Kilometern zu bringen und sie dann mit elektrischen Triebwerken in eine größere Höhe zu befördern. Als der Satellit jedoch in 210 Kilometern Höhe zum Stehen kam, geriet er in einen geomagnetischen Sturm.

„Der Satellit befindet sich in einer Umlaufbahn von 210 Kilometern und nutzt einen elektrischen Antrieb. Luftwiderstand und Antriebskraft dürften in etwa gleich sein. Dieser geomagnetische Sturm führte jedoch zu einem Anstieg des Luftwiderstands, wodurch der Antriebseffekt versagte. Darüber hinaus ist der Satellit so konstruiert, dass er in einen Sicherheitsmodus wechselt und nicht in den Zustand der Umlaufbahnerhöhung zurückkehren kann“, sagte Lei Jiuhou.

SpaceX erklärte, dass ein geomagnetischer Sturm am 4. Februar schwerwiegende Auswirkungen auf diese Satelliten hatte und dazu führte, dass sich die Atmosphäre in dem Gebiet, in dem sich die Satelliten befanden, erwärmte und ihre Dichte zunahm. Der Luftwiderstand der Satelliten nahm im Vergleich zu früheren Starts um bis zu 50 % zu.

Luo Bingxian analysierte die Rationalität dieser Daten. „Berechnungen und Beobachtungen haben bestätigt, dass dieser geomagnetische Sturm zu einer Zunahme der atmosphärischen Dichte geführt hat. Darüber hinaus wird der Satellit mit sinkender Höhe aufgrund des Luftwiderstands auf eine zunehmend dichtere Atmosphäre treffen. Insgesamt ist es plausibel, dass der Satellit innerhalb kurzer Zeit eine Zunahme des Luftwiderstands um 50 Prozent erfährt“, sagte er.

Lei Jiuhous Ansicht nach würde der Satellit nicht so schnell beschädigt werden, wenn er von Anfang an in eine höhere Umlaufbahn gebracht würde, selbst wenn er auf einen stärkeren geomagnetischen Sturm oder sogar eine viel stärkere Störung stoße. Er fügte hinzu, dass Satelliten grundsätzlich in höhere Umlaufbahnen gebracht und nicht in einer Höhe von 210 Kilometern geparkt würden. Dies liegt daran, dass die atmosphärische Dichte mit der Höhe exponentiell abnimmt. Bei einer Erhöhung der Umlaufbahn um 100 Kilometer ist der Luftwiderstand um ein bis zwei Größenordnungen geringer. Der Luftwiderstand in einer Umlaufbahnhöhe von 400–500 Kilometern ist relativ gering.

„Diese aus der Umlaufbahn genommenen Starlink-Satelliten werden aus etwa 210 Kilometern Höhe fallen und nach dem Wiedereintritt in die Atmosphäre verglühen. Es entsteht kein Weltraummüll und es werden keine Satellitenteile die Erdoberfläche treffen“, sagte Luo Bingxian.

Zu den Risiken einer Deorbitierung von Starlink-Satelliten sagte Lei Jiuhou, dass sich diese Satelliten in einer niedrigen Umlaufbahn von etwa 210 Kilometern befänden, einem relativ großen Widerstand ausgesetzt seien und eine relativ kurze Lebensdauer hätten. Wenn keine Kontrolle stattfindet, wird geschätzt, dass sie während des Herbstprozesses in einem Dutzend Tagen oder mehr im Wesentlichen verbrennen werden. Darüber hinaus befinden sich in dieser Umlaufbahn nur wenige andere Satelliten, sodass die Kollisionsgefahr relativ gering ist.

Wie groß ist der Einfluss geomagnetischer Stürme auf künstliche Satelliten?

Lei Jiuhou sagte, dass sich bei geomagnetischen Stürmen hochenergetische Teilchen von der Sonne absetzen und es zu einer Joule-Erwärmung (elektrischer Strom) kommt. Außerdem sei in den Polarregionen eine erhöhte Polarlichtaktivität zu erkennen, die auch zu einem Anstieg der globalen Temperatur in der oberen Atmosphäre führen werde. Die Atmosphäre dehnt sich aus und die Atmosphärendichte in der Nähe der Satellitenumlaufbahn nimmt zu, was den Luftwiderstand des Satelliten erhöht.

Darüber hinaus gibt es zahlreiche weitere Einflüsse, wie etwa Veränderungen in der Zusammensetzung der Atmosphäre, Veränderungen in der atmosphärischen Zirkulation, und auch der entsprechende Bereich des atmosphärischen ionisierten Plasmas, allgemein als Ionosphäre bekannt, wird drastischen Veränderungen unterliegen und Auswirkungen auf die Satelliten- und Bodenkommunikation haben.

Es muss betont werden, dass sich während geomagnetischer Stürme die Struktur des Magnetfelds, das die Erde schützt, verändert. Viele Satelliten in höheren Umlaufbahnen, wie etwa Synchronsatelliten, werden unterschiedlichen Magnetfeldern und Plasmaumgebungen ausgesetzt sein und somit direkt von hochenergetischen Teilchen angegriffen werden, was sogar zum Ausfall einiger Satellitenkomponenten führen kann.

Luo Bingxian erklärte Reportern, dass starke Sonneneruptionen schwere geomagnetische Stürme auslösen und Satelliten in der Umlaufbahn oder Infrastruktur auf der Erde beeinträchtigen könnten, wie zwei berühmte Beispiele aus dem 20. Jahrhundert zeigen.

Im Jahr 1979 befand sich das US-amerikanische Skylab während eines Jahres mit hoher Sonnenaktivität im Orbit. Aufgrund der kumulativen Wirkung mehrerer geomagnetischer Stürme führte die Ausdehnung der Erdatmosphäre zu einem starken Anstieg des Luftwiderstands auf Skylab und seine Umlaufbahn verfiel schneller. Skylab stürzte in die Atmosphäre und verglühte schneller als erwartet.

Im Jahr 1989 überlastete ein geomagnetischer Sturm das Stromnetz im kanadischen Quebec und verursachte in der Region großflächige Stromausfälle, die neun bis zwölf Stunden andauerten. Außerdem wurde berichtet, dass fast zeitgleich Tausende von Zielen im US-amerikanischen Weltraumzielverfolgungssystem neu positioniert werden mussten, was die Verfolgung und Identifizierung neu gestarteter Flugobjekte erschwerte.

Quelle: Science and Technology Daily

Herausgeber: Wang Yu

Rezension: Yue Liang

Endgültiger Richter: He Yi