Aufspüren von nicht nachweisbarem Weltraummüll

Mit einem von Forschern der University of Michigan vorgeschlagenen Ansatz könnten Satelliten- und Raumfahrzeugbetreiber endlich in der Lage sein, kleine Trümmerstücke zu entdecken, die die Erde umkreisen.

„Derzeit entdecken wir Weltraumschrott, indem wir nach Objekten suchen, die Licht- oder Radarsignale reflektieren“, sagte Nilton Renno, der leitende Forscher des Teams der University of Michigan und Professor für Klima- und Weltraumwissenschaften sowie Ingenieurwesen und Luft- und Raumfahrttechnik. „Je kleiner die Objekte werden, desto schwieriger wird es, Sonnenlicht oder Radarsignale zu bekommen, die stark genug sind, um sie vom Boden aus zu erkennen.“

Heute sind Objekte, die größer als ein Softball sind, die einzigen aufspürbaren Teile dieses „Weltraummülls“, der weniger als 1 % der fast 170 Millionen Müllteile ausmacht, die von Raketenstarts, Weltraumspaziergängen und stillgelegten Satelliten übrig geblieben sind. Mit der neuen Methode können Trümmer mit einem Durchmesser von weniger als einem Millimeter erkannt werden – ähnlich der Dicke einer Bleistiftmine.

Renno wird die Ergebnisse auf der präsentieren Zweite Internationale Orbital-Trümmer-Konferenz 5. Dezember mit Yun Zhang, einem Postdoktoranden in Klima- und Weltraumwissenschaften und -technik. Die Ergebnisse gehören zu den ersten, die aus einem größeren Gemeinschaftsprojekt stammen, dem Space Debris Identification and Tracking Program der Intelligence Advanced Research Projects Activity. Das Projekt wird vom Militärunternehmen Blue Halo geleitet und umfasst die University of Alaska Fairbanks.

Müll im Weltraum ist mehr als nur unansehnlich – er ist gefährlich. Bei einer typischen Umlaufgeschwindigkeit von 22.000 Meilen pro Stunde kann ein pflaumengroßes Stück Weltraummüll ein anderes Objekt mit der gleichen Energie treffen wie ein Autounfall auf der Autobahn und möglicherweise einen Satelliten außer Betrieb setzen. Selbst kleinere Teile können Raumfahrzeuge beschädigen. Daher ist ihre Verfolgung für Satelliten und Raumfahrzeuge, die Ausweichmanöver durchführen müssen, von entscheidender Bedeutung.

Die Erdumlaufbahn wird zunehmend unübersichtlicher, was den Schutz von Satelliten erheblich erschwert. Teile von Weltraumschrott kollidieren häufig miteinander und zersplittern dadurch größere Teile in kleine, nicht nachweisbare Teile. Einige Experten befürchten, dass die Menge an Weltraumschrott exponentiell ansteigen könnte, wenn einzelne Teile weiterhin kollidieren, was schließlich zu verheerenden Schäden in der Infrastruktur führen könnte, auf die wir für GPS, Mobilfunkdaten, Wetterüberwachung und mehr angewiesen sind.

Kollisionen zwischen Weltraummüll könnten zwar potenziell katastrophal sein, könnten sich aber als die beste Möglichkeit erweisen, winzigen Weltraummüll aufzuspüren. Wenn kleine Teile von Weltraumschrott kollidieren, explodieren sie in winzige Fragmente, von denen einige aufgrund der durch den Aufprall erzeugten Hitze zu einem geladenen Gas verdampfen.

„Wenn sich die Wolke aus geladenem Gas und Trümmerfragmenten ausdehnt, erzeugt sie blitzartige Energieausbrüche, ähnlich den Signalen, die von statischen Funken erzeugt werden, die nach dem Reiben einer frisch gewaschenen Decke entstehen“, sagte Mojtaba Akhavan-Tafti, Assistenzwissenschaftlerin im Bereich Klima und Klima Weltraumwissenschaften und -technik und leitender Wissenschaftler des Projekts.

Nach diesem ersten Energiestoß können geladene feste Trümmerfragmente immer dann elektrische Feldimpulse erzeugen, wenn sie nahe genug beieinander sind, was zu weiteren blitzartigen Ausbrüchen führt. Diese elektrischen Signale halten nur den Bruchteil einer Sekunde an, könnten aber dabei helfen, Stücke von Weltraummüll und Wolken aus mikroskopisch kleinen Fragmenten aufzuspüren, die sich bilden, wenn Trümmer kollidieren.

Wenn zwei Aluminiumstücke mit typischen Umlaufgeschwindigkeiten kollidieren, senden sie laut den neuesten Computersimulationen des Teams einen elektrischen Impuls aus, der stark genug ist, dass eine 26-Meter-Schüssel mit einem hochwertigen Funkempfänger sie vom Boden aus erkennen kann. Die elektrischen Feldimpulse sollten ebenfalls mit empfindlicheren Radioarrays wie dem Deep Space Network der NASA nachweisbar sein.

Es gibt noch viel zu erarbeiten. Die Frequenz der elektrischen Signale kann je nach Kollisionsgeschwindigkeit und Beschaffenheit der Trümmer variieren, was die Erkennung erschweren könnte. Um die elektrischen Signale sehen zu können, müssen sie stärker sein als die Hintergrundsignale des Bodeninstruments und die obere Erdatmosphäre passieren.

Das Team plant, seinen Ansatz mit zusätzlichen Computersimulationen zu verfeinern, indem es reale Signale mit dem Deep Space Network der NASA misst und Daten aus Hypergeschwindigkeitsexperimenten am Naval Research Laboratory und am Ames Research Center der NASA analysiert. Mithilfe der Laser der Anlage kann das Team verschiedene Arten von Trümmern mit unterschiedlichen Umlaufgeschwindigkeiten auf Ziele schleudern und die Eigenschaften der elektrischen Emissionen messen, die durch den Aufprall entstehen.

Wenn solche Experimente einen Weg aufzeigen, ein breites Spektrum elektrischer Signale zu erfassen, die bei Kollisionen mit Weltraummüll erzeugt werden, könnten sie nicht nur feststellen, wo sich Weltraummüll befindet, sondern auch, wie er aussieht und woraus er besteht.

„Wir wollen wissen, ob ein Objekt hart oder weich ist, denn das hat Einfluss darauf, wie es umkreist und wie schädlich es sein kann“, sagte Akhavan-Tafti.