Interview: Weltraumschrott – Wie können wir eine Müllhalde im Orbit verhindern?

Computergeneriertes Bild von Objekten, die in der Erdumlaufbahn verfolgt werden. Rund 95 Prozent der Objekte sind Weltraummüll.

Satelliten leisten wertvolle Dienste im Umwelt- und Klimaschutz, doch die Anzahl vor allem von kommerziellen Satelliten steigt rasant. Damit wächst auch die Menge an ausgedienten Satelliten und Trümmerteilen im Orbit, dem sogenannten Weltraumschrott. Warum das problematisch ist und wie mögliche Lösungen aussehen, darüber sprachen wir mit Holger Krag von der ESA.

Autor Sarah-Indra Jungblut, 15.12.20

Übersetzung Sarah-Indra Jungblut:

Sobald wir die unseren Planeten schützende Atmosphäre verlassen, begegnet uns vor allem endlose Nacht und vielleicht ab und zu mal ein Satellit, der einsam seine Bahnen um die Erde zieht? Von wegen! Schon heute umkreisen rund 6.000 Satelliten die Erde, aber nur knapp die Hälfte davon ist noch funktionsfähig. Dazu kommt, dass sich Satelliten und andere Hinterlassenschaften der Raumfahrt durch Kollisionen immer weiter zersetzen – und diese Klein- und Kleinstteile sind weiter im Orbit unterwegs. Inzwischen schwirren laut Modellen der europäischen Weltraumbehörde (ESA) mehr als 34.000 größere Objekte (ab zehn Zentimeter Größe), 900.000 kleinere (1 bis 10 cm) sowie 128 Millionen winzige Objekte (1 mm bis 1 cm) mit Geschwindigkeiten von bis zu 25.000 Kilometern pro Stunde um die Erde.

Und das Thema verschärft sich aktuell, denn die Anzahl der Erdtrabanten steigt in den letzten Jahren vor allem durch private Initiativen wie OneWeb oder SpaceX rasant. Alleine SpaceX will in den kommenden Jahren Zehntausende Satelliten in den Orbit entlassen.

Natürlich leisten uns viele der Satelliten wertvolle Dienste. Aus unserem Alltag sind die Informationen und Services, die uns über Satelliten erreichen, nicht mehr wegzudenken. Und auch im Umwelt- und Klimaschutz liefern Satellitenmissionen neue Erkenntnisse und helfen uns zum Beispiel, komplexe Zusammenhänge besser zu verstehen, effektivere Schutzmaßnahmen zu entwickeln und illegale Rodungen oder Schadstoffemissionen aufzudecken. Aber was ist eigentlich das Problem mit dem Weltraumschrott? Und was können wir dagegen tun? Darüber sprachen wir mit Holger Krag, der in der ESA (European Space Agency) das Programm für Weltraumsicherheit leitet. Dabei befasst er sich mit allen Gefahren, die uns aus dem All auf der Erde als auch unsere Infrastruktur im All betreffen. Und natürlich auch mit Lösungen, um den Weltraumschrott, der im Orbit sein Unwesen treibt, in den Griff zu bekommt – im wahrsten Sinne des Wortes.

Holger Krag von der ESA.

Holger, welche Gefahr geht von Weltraumschrott aus?

All das, was wir im All hinterlassen, ist mit sehr großer Geschwindigkeit unterwegs. Satelliten bewegen sich mit meist sieben Kilometern pro Sekunde, das sind rund 25.000 Kilometer in der Stunde. Und alles, was sich von Satelliten ablöst, bewegt sich weiterhin mit dieser Geschwindigkeit im All. Und in dieser Geschwindigkeit wird schon ein wenige Millimeter großes Stück zum Geschoss, das millionenteure Satelliten zerstören kann. Im schlimmsten Fall gehen diese nicht nur kaputt, sondern zerlegen sich in weitere Trümmer. Und diese Trümmer sind dann wiederrum Kandidaten für neue Kollisionen, sodass man vielleicht nicht nur einen einzigen Satelliten verliert, sondern eine Kaskade an Kollisionen (das sogenannte Kessler-Syndrom, Anmerkung der Redaktion) auslöst, die ständig das Weltall weiter mit Trümmern übersäht.

Die andere Gefahr ist, dass die Objekte auch irgendwann wieder in die Atmosphäre eintreten und dann sind wir hier am Boden betroffen. Es ist zwar noch niemandem etwas passiert, aber wir haben jetzt auch mehr Raumfahrtaktivitäten. In der Vergangenheit wurden rund hundert Satelliten pro Jahr gestartet, jetzt haben wir einen Ära-Wechsel und die Zahl geht auf einmal in die Tausende.

Für mich persönlich ist die Problematik im All, also die Kollisionen mit den Objekten akuter, denn selbst wenn menschliches Leben nicht unmittelbar betroffen ist, so sind wir inzwischen sehr abhängig von der Raumfahrt. Die Hälfte der Apps auf unseren Smartphones zum Beispiel hängen mit Daten aus dem Weltraum zusammen. Das kann die Fernsehübertragung sein, das Telefongespräch selber, die Wettervorhersage und natürlich die Navigation. Und die Verfügbarkeit von solchen Diensten gefährden wir, wenn wir die Raumfahrt nicht sauberer gestalten.

Wie realistisch ist denn das Szenario, dass jemand zu Schaden kommt?

Von einem Satelliten bleibt nicht viel übrig, wenn er wieder in die Erdatmosphäre eintritt. Kleine Trümmerstücke verschwinden komplett. Und von den größeren Satelliten verschwindet normalerweise auch mehr als die Hälfte, weil Satelliten größtenteils aus Aluminium oder Kunststoffen bestehen und die schmelzen beim Wiedereintritt in die Atmosphäre. Tanks oder Düsen, die aus sehr hitzefestem Material wie Titan oder Edelstahl sind, können den Wiedereintritt überleben, doch die werden komplett abgebremst und fallen mit einer normalen Endgeschwindigkeit runter.

Mittlerweile umkreist ja eine nicht unerhebliche Zahl an Satelliten und Weltraumschrottteilen die Erde. Gibt es da nicht auch ökologische Bedenken?

Diese Frage ist sehr interessant und ich debattiere sie oft mit Studenten. Weil die Frage ist ja: Ist der Weltraum an sich in irgendeiner Form schützenswert? Ich denke, dass man das von Problemen auf der Erde unterscheiden muss. Wenn wir auf der Erde fahrlässig mit Abfällen handeln, dann gefährden wir nicht nur die Menschheit, sondern auch die Natur und andere Lebewesen. Ich bin aber der Meinung: Im Weltraum ist sonst keiner. Jedenfalls nicht im erdnahen Weltraum, wo wir sind und unsere Raumfahrt betreiben. Damit gefährdet die Weltraumverschmutzung in erster Linie uns als Raumfahrtbetreiber selbst.

Bei vielen Umweltproblemen auf der Erde ist der Verursacher nicht unbedingt der Leidtragende. Das ist im Weltall anders, allerdings kommt noch ein Zeitfaktor hinzu. Hinterlassen wir etwas in 1.000 Kilometern Höhe, wo es keine natürlichen Kräfte gibt, die das Objekt entsorgen können, dann bleibt es auf alle Ewigkeit da.

Eine andere Frage ist, ob man das Recht hat, den Nachthimmel zu verändern. Wir bekommen jetzt viele Berichte über Satellitensichtungen, die als kleine Punkte über den Himmel ziehen. Vor dreißig Jahren hat mich das noch begeistert, dass man die Satelliten sehen kann, aber wenn ich heute hochgucke, dann bewegt sich da schon sehr viel. Das ist dann eine kulturelle Frage: Hat man das Anrecht auf einen ungestörten Blick in den Himmel? Das kann nicht in der Kontrolle von einzelnen überlassen werden, ob man den Himmel in seinem Anblick dauerhaft verändern darf – zumal das ja auch astronomische Beobachtungen beeinflusst.

Wie werden Weltraumschrottobjekte ausfindig gemacht?

Das erfordert ziemlich viel Aufwand, den wir am Boden betreiben müssen. Das sind ja keine intakten Satelliten, die ein „Hier bin ich“-Signal von sich senden. Wir müssen sie aktiv aufspüren – und wir sprechen über Objekte in der Größe eines Stifts, denn das ist die Grenzgröße, die man vom Boden aus sehen kann, rund 10 cm. Diese strahlen wir vom Boden mit dem Radar an. Dazu braucht man Radar-Anlagen mit mehreren Mega-Watt Leistungen. Es reicht aber nicht, wenn man die Objekte nur einmal sieht; man muss das regelmäßig wiederholen und neu vermessen, weil sich die Orbits – also die Bahnen, auf denen sie sich bewegen – durch verschiedene Einflüsse leicht verschieben. Und wir wollen es genau wissen, denn am Ende wollen wir ja unsere Satelliten um diese Objekte herum manövrieren.

Wir setzten auch Teleskope ein, die gleichen, die Astronomen für die Sternbeobachtung verwenden. Das sind passive Teleskope, die im Prinzip das vom Satelliten reflektierte Sonnenlicht einfangen, also quasi nur den Lichtschimmer vermessen. Damit kann man auch relativ gute Positionen bestimmen und mit komplizierten Rechenmodellen dann vorhersagen, wo die Objekte morgen sein werden.

Die Überwachung des Weltraumschrotts mit Radar muss doch mit einem großen Stromverbrauch einhergehen, um die permanente Überwachung garantieren zu können, oder?

Das ist richtig. Es werden mehrere Megawatt an Abstrahlungsleistung gebraucht. Aber damit habe ich mich noch nicht so viel befasst. Aber was mir dazu einfällt: Wir von der ESA haben für die spanische Regierung so einen Radar gebaut. Das steht in der Extremadura, also in der Steppe in Spanien. Und da denken wir tatsächlich über ein Solarkraftwerk nach, weil sich das dort ja anbietet. Das Radar muss natürlich Tag und Nacht arbeiten. Nachts kommt man wahrscheinlich nicht drum herum, Strom aus dem Netz zu nehmen, aber tagsüber könnte man das mit Solarstrom zumindest entlasten. Das ist auch eine ökonomische Frage. Gerade in so einer Gegend wie Spanien, wo die Sonne quasi umsonst zu Verfügung steht, lohnt sich das.

Wie viele Objekte werden aktuell auf diese Art überwacht?

Dieser Aufwand wird zurzeit für 23.000 Objekte betrieben. Alles, was über der Grenzgröße von etwa zehn Zentimetern liegt, können wir sehen, die kleineren Objekte leider nicht. Aber weil die meisten Objekte aus Fragmentierungen, also aus Explosion und Kollision entstanden sind, kann man sich ganz leicht vorstellen: da gibt es noch viele kleinere. Wir gehen von einer Million aus, die oberhalb einer Kirschengröße sind.

Finden sich in allen Höhenschichten gleichermaßen viele Objekte?

Wir haben das Glück, dass in etwas tieferen Höhenschichten noch Reste von der Erdatmosphäre zu spüren sind. Und die Erdatmosphäre wirkt bremsend, so wie der Luftwiderstand, den man beim Fahrradfahren spürt. Natürlich viel schwächer, aber dieser Effekt reicht aus, um ein Weltraumschrottobjekt in 400 Kilometern Höhe innerhalb von einem Jahr zum Wiedereintritt zu zwingen. In 600 Kilometer Höhe, wo die Atmosphäre etwas dünner ist, braucht das gleiche Objekt allerdings schon 25 Jahre, in 800 Kilometern Höhe dauert das 200 Jahre und oberhalb von 1.000 Kilometern Höhe ist dieser Effekt verschwunden – die Objekte bleiben für alle Ewigkeit da.

Die größte Problematik ist tatsächlich in rund 800 Kilometern Höhe. Das ist eine Höhenschale, die wir gerne verwenden, weil sich von dort aus die Erde sehr gut beobachten lässt. Daher haben wir in dieser Höhe Anreicherungseffekte. In dieser Höhe sind auch schon Kollisionen passiert, vier Stück. Bei der bekanntesten sind ein Iridium-Satelliten, der zu dem Zeitpunkt noch funktioniert hat, und ein nicht mehr funktionsfähiger russischer Kommunikationssatellit mit 36.000 Kilometren in der Stunde zusammengeprallt. Allein daraus sind über 10.000 neue Trümmerstücke entstanden.

Stimmt es, dass es auch eine so genannte „Friedhofsbahn“ gibt?

Ja, die gibt es. Sie ist relevant für die geostationären Satelliten in 25.786 Kilometern Höhe, von denen man nicht erwarten kann, dass sie in die Erdatmosphäre entsorgt werden. Die Friedhofsbahn liegt rund 200 Kilometer darüber – die Richtlinien sehen eine Entsorgung dahin vor. Das wird auch sehr gut umgesetzt. Allerdings ist das Verkehrsaufkommen dort auch nicht so hoch und damit die Problematik nicht so intensiv wie in den niedrigen Orbits.

Was lässt sich dagegen tun, dass sich noch mehr Weltraumschrott im Orbit anreichert?

Eine der wichtigsten Vermeidungsstrategien ist es, die Raumfahrtobjekte nach dem Betrieb durch eigene Mittel möglichst tief herunterzubringen, zum Beispiel durch das Antriebssystem, das viele Satelliten an Bord haben. Wir sagen, dass 25 Jahre eigentlich die Obergrenze sind, die Satelliten im All bleiben sollten. Satelliten, die kein Antriebssystem an Bord haben, wie zum Beispiel die kleinen Cubesatelliten, die viele Universitäten haben, sollten gar nicht in so großen Höhen ausgesetzt werden. Das ist eine wichtige Forderung.

Wenn man diese Dinge macht, kann man das Anwachsen der Zahl der Objekte im All stoppen. Aber das passiert leider nicht.

Es gibt aber auch kein wirklich verbindliches internationales Abkommen, oder?

Ja, es gibt kein internationales Gesetz, das so was einfordert. Jedes Land ist rechtlich verantwortlich für die Objekte, die gestartet werden. Und da ist es egal, ob das von einer Firma, einer Raumfahrtagentur oder von einer Universität gestartet wird, es haftet der Staat, in dem sich der Firmensitz befindet.

Aber wir sind jetzt in der Ära, in der überall eine nationale Gesetzgebung entsteht. Vorreiter sind Amerikaner, Engländer und Franzosen – und die nehmen Vermeidungsmaßnahmen schon mit auf. Wir in Deutschland haben noch kein Weltraumgesetz, es steht aber schon im Koalitionsvertrag, dass so etwas entwickelt werden soll. Das heißt, so langsam ziehen viele Länder nach. Aber da muss jedes Land mitmachen, nicht, dass rechtliche Inseln für besonders dreckige Raumfahrt entstehen.
Natürlich muss dann auch überwacht werden, und da mache ich mir noch Sorgen. Denn aktuell scheitert noch mehr als die Hälfte der Projekte darin, entsprechende Maßnahmen umzusetzen. Das muss viel besser werden.

Doch neben der Entwicklung von nationalen und internationalen Abkommen geht es auch darum, technische Lösungen zu finden.

Ja, denn das Entsorgungsmanöver ist eins der schwierigsten und größten, die überhaupt in einer Satellitenmission stattfinden. Und das dann gerade da etwas schief geht, ist sehr wahrscheinlich. Es braucht also zusätzliche Technik, also zum Beispiel einen unabhängigen Antrieb, der von vorne herein installiert wird und der separat vom Boden aus kommandiert werden kann, also so eine Art Paket, das man auf den Satelliten draufschnürt. Wir nennen das einen „de-orbiting kit“, mit dem man auch dann ein Entsorgungsmanöver einleiten kann, wenn der Satellit nicht mehr reagiert. So etwas entwickeln wir.

Wie ist der aktuelle Status bei den „de-orbiting kits“?

Da sind wir jetzt in einem Technologie-Stadium, wo Einzelaspekte schon im All demonstriert worden sind. Ich denke, wir sind relativ bald bereit, einen „unkontrollierten Wiedereintritt“ zu fliegen, das heißt, dass wir ein Objekt im Orbit nur absenken, aber nicht genau vorhersagen können, wo das dann genau wieder eintritt.

An einem kontrollierten Wiedereintritt müssen wir noch arbeiten. Wir gehen davon aus, dass das vielleicht so in fünf bis sechs Jahren verfügbar sein wird.

Entwickelt die ESA auch noch andere Lösungen, um den Orbit von ausgedienten Satelliten und Trümmerteilen zu befreien?

Ja, wir planen auch aktives Rückholen. Also eine Mission, die die Aufgabe hat, zu einem großen, besonders kritischen Objekt hinzufliegen, es zu greifen und dann kontrolliert zu entsorgen.

Wie kann ich mir das genau vorstellen?

Der Greifer besteht aus vier symmetrisch angebrachten Armen. Die Arme bewegen sich gleichzeitig, so dass kein Reaktionsmoment auf den Satelliten entsteht, was die Steuerung einfach macht. Die Arme umschließen das Objekt, bevor sie es berühren, denn jede Berührung verursacht einen Impulsübertrag, der Rückwirkung hat. Das ist vom Boden aus schwer zu kontrollieren, daher wird das Objekt erst gesichert und dann berührt. Dann wird es fest an den Satellitenkörper gezogen, damit man es gemeinsam mit dem Vehikel abbremsen kann. Das wollen wir bis 2025 demonstrieren.

Das ist ja schon relativ bald für eine wahrscheinlich technisch sehr aufwändige Entwicklung.

Das stimmt, das ist sehr aufwändig und auch noch nie gemacht worden. Wir leisten jetzt eine Anschub-Entwicklung für einen mehrstelligen Millionen-Betrag, damit die notwendige Technologie vorliegt.
Damit soll 2025 die erste Rückholmission eines ESA-Objekts passieren. Ausgeführt wird die Mission durch ein kleines Schweizer Startup, das das später kommerziell machen will. Doch damit sich solche Aktionen lohnen, müssen noch viele Schritte passieren. Heute schreibt ja der Gesetzgeber gar nicht vor, dass solche Missionen verwendet werden müssen. Bereitschaft gibt es schon, aber die Technologie muss da sein und sie muss günstig sein. In dem Fall sehen wir es als unsere Aufgabe, das voran zu bringen und dann hoffen wir, dass die Gesetzgeber vorgeben, dass ein „Abholservice“ in Anspruch genommen werden muss, wenn ein Satellit nicht aus eigenen Mitteln entsorgt werden kann.

Ist es aber nicht einfacher, verstärkt auf die Entwicklung von „de-orbiting kits“ zu setzen als auf aufwändige Rückholmissionen?

Ja, aber jetzt sind die Entwicklungszeiten noch sehr lang. All das, was wir jetzt nicht vorsehen, das kommt erst viele Jahre später zum Tragen. Das heißt, es wird viele Objekte geben, die damit noch nicht ausgerüstet sind.

Und die Technologie zu erproben, lohnt sich auch für eine andere Marklücke: Wenn nämlich bei einem noch funktionsfähigen Satelliten der Treibstoff alle ist, dann ist die Mission auch vorbei, weil er seine Position und Orientierung nicht mehr halten kann. Das heißt, man muss dann millionenteure Instrumente wegwerfen, nur weil der Tank leer ist. Warum also nicht mit solchen Missionen die Lebensdauer verlängern? Dazu ist die gleiche Technologie erforderlich: nämlich sich einem Objekt zu nähern und es zu greifen. Insofern lohnt es sich, in Orbit-Kapazitäten zu investieren.

Natürlich ist das teuer. Man muss den Preis runterkriegen, aber man darf auch nicht vergessen, dass der Schaden noch viel größer ist, wenn man nichts tut. Auch beim Klima ist es günstiger, wenn unsere Generation Maßnahmen ergreift, als wenn das erst in 50 Jahren passiert.

Vielen Dank für das Interview!

Dieser Artikel ist Teil des Dosssiers „Satelliten und Drohnen – Wertvolle Helfer für eine nachhaltige Entwicklung“. Alle Artikel des Dossiers findest du hier: Dossier Satelliten und Drohnen

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