In jedem guten Schwindel steckt ein Körnchen Wahrheit

So auch in meinem letzten Blogeintrag. Die Sache ist eigentlich ganz einfach: Die Gefährlichkeit durch Weltraummüll ist durch ein paar Faktoren gegeben:

  • Die Lebensdauer jedes Stücks Weltraummülls
  • Die Anzahl der Bruchstücke
  • Die Anzahl der Objekte die getroffen werden können

Heute machen wir uns hier viel mehr Gedanken als früher. So werden alle Oberstufen heute passiviert, sprich wenn es geht versucht man sie zu deorbitieren. Bei GTO-Bahnen geht das indem man den Treibstoff gegen die Bahnrichtung entlässt, er bremst dann etwas die Stufe ab und weil diese Bahnen einen erdnächsten Punkt meiste von nur 200 bis 300 km Höhe haben, verglühen sie. Bei der Vega nutzt man den Resttreibstoff um die Umlaufbahn abzusenken. Die Vega hat normalerweise Missionen in denen sie sonnensynchrone Umlaufbahnen erreicht, in denen die Lebensdauer von Satelliten im Bereich von Jahrzehnten bis Jahrhunderten liegt. Ähnliche Strategien haben die USA, jedoch noch nicht Russland und China.

Gerade Oberstufen sind problematisch. Denn erwärmt sich der Treibstoff in den Tanks, so kann er diese explosiv sprengen (es muss nicht mal zu einer Explosion von hypergolen Treibstoffen kommen) und man erzeugt viele kleine Bruchstücke, die in einer großen Wolke um den ursprünglichen Punkt herum. Ein weitere Punkt den man mittlerweile angeht ist das man den Satelliten so viel Treibstoff mitgibt dass man am Ende ihrer Lebensdauer die Umlaufbahn absenken können. Die ESA hat z.B. den Satelliten ERS-2 von 780 auf 573 km abgesenkt. Die Lebensdauer im Orbit ist natürlich variabel. Sie hängt von Sonnenaktivität aber vor allem aber von der Form ab. Satelliten mit sehr ausladenden Solarpaneelen oder SAR-Antennen sinken schneller als kompakte oder gar aerodynamische Satelliten (such solche gibt es: die KH1-10 Serie oder GOCE sind Beispiele dafür. Unterschreitet man 600 km Höhe so kommen Objekte in 20 bis 30 Jahren wieder zurück zur Erde.  In höheren Bahnen steigt die Lebensdauer rasch an. Satelliten im GEO Orbit kann man nicht deorbitieren, man manövriert sie stattdessen in einen höheren Friedhofsorbit und entlässt dort Restflüssigkeiten und Gase.

Ich habe mal nach den IPS Programm (siehe Link) die Lebensdauer eines Satelliten unter folgenden Grundananahmen berechnet:

Masse 125 kg, Fläche die abbremst: 3 m², Solarer Flux 180 SFU (Mittelwert zwischen den bekannten Extremwerten von 65 und 300) und geomagnetischer flux AP = 19 (ebenfalls Mittelwert zwischen den bekannten Extremen 7 und 30):

Höhe Lebensdauer
600 km 6,9 Jahre
650 km 14,5 Jahre
700 km 29,2 Jahre
750 km 56,3 Jahre
800 km 102 Jahre
850 km 180 Jahre
900 km 302 Jahre
950 km 486 Jahre
1000 km 749 Jahre
1050 km 1105 Jahre
1100 km 1567 Jahre
1150 km 2135 Jahre
1200 km 2800 Jahre

Das sind zwar nur Annahmen, doch ab 700 km kann man ohne Problem mit den Mittelwerten von SFU und AP rechnen, da diese mit dem elfjährigen Sonnenzyklus schwanken und man ist da schon bei reiner Aufenthaltsdauer die ein vielfaches der Zykluszeit ist. Offen ist eben die Fläche, doch selbst wenn der Satellit 6 m² Fläche hätte, was bei dieser Größe enorm viel wäre, dauert es noch 1400 Jahre bis er aus 1200 km Ausgangshöhe verglüht. Das betrifft die Satelliten von Oneweb . Bei Google sind es 100 km weniger als 1100 km, was nun aber nicht wirklich viel ändert – dann sind es eben noch 1500 Jahre bis sie verglüht sind.

Daraus folgt eines: zum einen muss man bei einer solchen Konstellation viel mehr Vorsorgen treffen, das die Satelliten am Ende des Lebens aus dem Orbit entfernt werden, denn sonst sind sie wandelnde Zeitbomben. Solange sie leben und Treibstoff haben, können sie aktiv Weltraum Müll ausweichen. Das betrifft aber nur bekannten Stücken. Radar kann Stücke im Dezimeterbereich orten, doch bei Relativgeschwindigkeiten von 7-14 km/s sind selbst kleinere Stücke enorm gefährlich. Zwar haben heute schon Satelliten dafür Treibstoff, das nützt aber nichts, wenn man keinen Kontakt hat, wie dies vor einigen Jahren bei Enisat passierte. Irgendein elektronisches Teil fiel aus, seitdem zieht er weiter stumm seine Kreise. Doch das kann man technisch lösen: die einfachste Möglichkeit wäre ein Feststofftriebwerk, das so eingebaut ist, das es bei der normalen Ausrichtung gegen die Betriebsrichtung feuert, verbunden mit einem mehrfach redundanten Timer, der bei Inbetriebsnahme gestartet wird und z.B. nach 3 Monaten abläuft und dann das Triebwerk zündet. Die Bodenkontrolle kann ihn, solange der Satellit unter Kontrolle ist, jederzeit (z.B. täglich) erneut starten, aber nicht anhalten. Sobald der Funkkontakt verloren geht, oder es eine andere Störung ist (Ausfall der Stromversorgung, Bordcomputer etc.) wird nach 3 Monaten der Satellit deorbitiert. Meiner Ansicht nach sollten, weil es schon einige ausgefallene Satelliten gibt, alle neuen Satelliten so eine Sicherung haben nicht nur Google/SpaceX und OneWeb. Zumindest OneWeb rechnet doch mit einigen Ausfällen – bei 648 Satelliten für den Betrieb wird man 900 bauen, also doch einiges mehr als man braucht. Das sind 38,8% „Spares“. Auch wenn der Vergleich hinkt: Iridium als größtes bisher bekanntes Netz arbeitet mit 66 aktiven und 11 Reservesatelliten also 16,6% „Spares“. Ein Schelm wenn da jemand auf die Idee kommt, man rechnet mit dem einen oder anderen Ausfall durch Schrotttreffer.

Kommen wir aber zurück zum Müll: er ist ist der Tat ein Problem, denn alle Satelliten sowohl von OneWeb wie Google/SpaceX werden in einem Bereich von 1100 bis 1200 km ihre Kreise ziehen. Heute ist der Bereich zwischen 700 und 800 km relativ gut bevölkert. Bisher gab es 1622 Nutzlasten im Bereich von 700 bis 1500 km (Perigäum) davon sind 1586 noch im Erdorbit. Nimmt man nur den Bereich den die beiden Netzwerke abdecken (1050-1250 km, jeweils mit 50 km Sicherheitszone) so sind es 91, die alle noch im Orbit sind Das neue System mit 4000 bzw. 900 Satelliten ist um die Größenordnung 50 mehr. Dabei nehmen schon jetzt die Treffer zu:  Alle 2014 wurden zwei Irdiumsatelliten von Trümmern getroffen.

Die Zahl der Teile im Orbit ist deutlich angestiegen. Bis 2010 verzeichnete die NASA nur Zehn echte Explosionen im Orbit.  Allerdings waren 6 davon im letzten Jahrzehnt. Damals gab es 19.000 Bruchstücke im Orbit, alleine der gezielte Abschuss von Fengyun 2C produzierte über 3000 Bruchstücke. Egal wie man es sieht – hinsichtlich der Zahl sind es viel mehr Satelliten als bisher, ja sogar mehr als bisher insgesamt gestartet wurden (bis Ende 2010 4700 Missionen, davon die meisten in kurzlebige erdnahe Orbits). Ich würde die Wahrscheinlichkeit um den Faktor 100 höher ansiedeln als bisher. Bei Iridiums gab es drei Kollisionen seit 2099, Wenn wir eine Kollision pro Jahrzehnt als minimale Grenze ansetzen, dann dürften pro Jahr zehn Satelliten getroffen werden. Das Problem ist ihre Bruchstücke in einer Wolke um die ursprüngliche Bahn streuen – sie bekommen einen zusätzlichen Impuls. der kann das Perigäum absenken, dann verglühen sie schneller – sind dann aber auch eine Gefahr für niedrig fliegende Objekte. So musste als ein ATV angekoppelt war die ISS schon einer PSLV Oberstufe ausweichen die ursprünglich mal einen Satelliten 400 km höher ausgesetzt hatte. Die meisten werden aber Seitwärts abgelenkt oder beschleunigt. Sie bilden eine langlebige Trümmerwolke. Beim unten diskutierten ASAT-Test lagen die extreme bei den Bahnen zwischen 200 und 4000 km.

Nehmen wir den Antisatellitentest von China vom 11.7.2007. Ziel war der in einer 849 x 866 km hohen Umlaufbahn befindliche ausgediente Wettersatellit Feng yun 1c. Er wurde von einem Projektil zerstört. Fünfeinhalb Jahre später waren von 3312 bekannten (sprich so großen das Radar sie erfassen konnten) Bruchstücken nur 236 verglüht. Eine Berechnung ergab, das je nach Sonnenaktivität zwischen 12 und 35 Prozent (Mittel: 20 %) in 100 Jahren verglühen. Dabei ist dieser Satellit auf einer Bahn die wie ein Blick in die Tabelle, zeigt eine Lebensdauer hat die um den Faktor 10 unter der für die beiden Konstellationen geplanten liegt.

So gesehen ist meiner Ansicht nach die Gefahr von Folgekollissionen die weitere Satelliten zerstören recht groß. Natürlich kann man wenn man bekannten Objekten ausweichen. Doch bei 900 oder 4000 Objekten wird das aufwendig, vor allem wenn nicht einen Satelliten sondern 4000 kontrollieren muss. Bei mehr Objekten  wird das rasch aufwendig. Zudem greift das nur bei bekannten Objekten. Die NASA errechnete das beim Feng Yun 1C Vorkommnis 150.000 Bruchstücke mit Durchmessern über 1 cm entstehen. Angenommen jedes wiegt 0,5 g und bewegt sich mit 8000 m/s relativ zum Satelliten (die NASA spricht von typischen Kollissionsgeschwindigkeiten von 8 bis 10 km/s) dann hat es dieselbe kinetische Energie wie ein 50 g Projektil das ein Gewehr abfeuert (800 m/s). Das ist das Gewicht einer Patrone vom Kaliber .50 BMG, also das was schwere Maschinengewehre und einige Scharfschützengewhre verwenden. Das ist das größte „normale2 Kaliber.

Ein Schutz (der wohl eher in einem doppelwandigen Whippleschild besteht) greift nur bedingt, Die größte Fläche nehmen die Solarzellen ein und die wird man systembedingt nicht schützen können.

Warum ich das Szenario nicht von der Hand wissen kann, das diese Zone mal ein Minenfeld wird, und wahrscheinlich auch die darunterliegende über 600 km Höhe, liegt auf der Hand. Wir machen uns jetzt schon Sorgen um Kleinsatelliten die jetzt von einigen Firmen zur Erdbeobachtung geplant sind. Diese werden in Bahnhöhen unter 630 km ausgesetzt – sie sollen ja einige Jahre arbeiten. Bei dem derzeitigen Mittransport zur ISS in 400 km Höhe würde obiges Objekt in maximal einem dreiviertel Jahr ohne Anhebung der Bahn verglühen. Dabei reden wir von Dutzenden Satelliten, zusammen vielleicht 100.Das war auch der Inhalt des Links den ich letztes Mal postete. Ich dachte das der Sprung „sorgen bei 100 Satelliten in einer erdnahen Bahn -> was passiert dann erst bei 5000 in einer erdferneren Bahn?“ die Leser nicht geistig überfordert.

Die Projekte scheinen sich darum nicht zu kümmern: Oneweb hat gerade 21 Starts bei Arianespace und 39 bei Virgin Galactic bestellt. Mit Optionen für acht weitere bei Arianespace und 100 bei Virgin Galactic bestellt – der größte Auftrag in der Geschichte der Trägerindustrie. Mich wundert nur das geringe Volumen von 500 Millionen US-$, das reicht bei Arianespace für gerade mal sieben Sojus Starts.

Links:

http://wattsupwiththat.com/2009/01/04/solar-geomagnetic-ap-index-now-at-lowest-point-in-its-history/

http://www.ips.gov.au/Category/Educational/Space%20Weather/Space%20Weather%20Effects/SatelliteOrbitalDecayCalculations.pdf

http://www.networkworld.com/article/2231453/security/nasa-identifies-top-ten-space-junk-missions.html

https://celestrak.com/events/asat.asp

http://orbitaldebris.jsc.nasa.gov/index.html

https://de.wikipedia.org/wiki/12,7_%C3%97_99_mm_NATO

http://spacenews.com/smallsat-operators-have-yet-to-allay-concerns-about-space-junk/

http://spacenews.com/oneweb-just-placed-what-its-calling-the-largest-commercial-web-order-in-history/

5 thoughts on “In jedem guten Schwindel steckt ein Körnchen Wahrheit

  1. Solararrays und Debris ist normalerweise nicht so tragisch für die Funktion der Arrays. Ein „Durchschuß“ durch eine Zelle macht üblicherweise nichts aus, wenn nicht gerade ein Kabel durchtrennt wird, merkt man sowas gar nicht (und auch die Verkabelung ist üblicherweise aus gutem Grund redundant).
    Den Leichtbaupanels der großen Satelliten macht ein „Durchschuß“ auch wenig aus und da dort sehr wenig Material verbaut ist, sollte auch kaum bis gar kein Folgedebris entstehen.

    Wer mal ins Verkehrshaus in Luzern kommt, kann sich bei der dortigen Raumfahrtausstellung ein Solararray ansehen, das einige Wochen im LEO verbracht hat (ich glaube es ist von Eureka), da sieht man einige Einschläge von Debris auf den Zellen und in die Struktur.

  2. Kannn man einen „space tug“ zum Einsammeln von Weltraumschrott entwerfen?

    Die aus meiner Sicht größten Probleme dabei sind:
    – gibt es ein Äquivalent zu Bauschaum, mit dem man unter Weltraumbedingungen mittelgroße Teile an einem Ausleger des tug befestigen kann?
    – Wenn nein, eine Alternative dazu?
    – gibt es ein leichtes Material, in dem kleine Schrottteile mit niedriger Relativgeschwindigkeit stecken bleiben, das aber von kleinen Schrottteilen mit hoher Relativgeschwindigkeit durchschlagen wird, ohne das dabei zusätzliche Teile entstehen?
    – Wenn ja, wäre es hilfreich auch den Zentralkörper (Bus ?) der Schwarmsatelliten damit einzupacken.

  3. Ich habe mal von einer Idee gelesen, einen Satelliten auf eine retrograde Bahn auzusetzen. Dieser sogebaut, dass die Teile mit ihm kollidieren, dadurch verlieren diese Energie und verglühen schneller.

  4. Zu OneWebs Finanzen: Die haben gerade eine Finanzierungsrunde über 500 Mio US-$ abgeschlossen und die zahlreichen Starts bei Arianespace und Virgin Galactic bestellt. Wie man bei Arianespace selber nachlesen kann, sollen die 21 Starts der ersten Tranche alle mit Soyuz erfolgen, und zwar von Guiana, Baikonur UND einem „weiteren Startplatz“ aus.

    Man darf daraus nur nicht schließen, dass OneWeb für 500 Mio. US-$ die ganzen 21 Starts bekommt! Zum jetzigen Zeitpunkt leisten die sicher nicht mehr als eine Anzahlung an Arianespace, die die folgenden Kosten deckt:
    * Entwicklung der für den Start notwendigen Adapter, die jeweils einen Schwarm Satelliten aufnehmen
    * Überprüfung, dass das alles (Adapter plus Satelliten) die Beschleunigungen vom Start übersteht
    * Reservierung von Startterminen
    Die Hauptzahlungen für die jeweiligen Starts sind dann jeweils fällig, wenn die Starts auch erfolgt sind. Um sich diese leisten zu können, wird OneWeb sicher noch größere Finanzierungsrunden brauchen!

    Spannend finde ich, dass OneWeb auch zahlreiche Starts auf einer Rakete für Mikrosatelliten bucht, von der es noch nicht einmal ein UserManual gibt. Und bei ArianeSpace ist man sicherlich glücklich, diesen Auftrag gegen SpaceX gewonnen zu haben!

  5. Eine klassische Idee einer Antisatellitenwaffe ist ein möglichst großes, mit Sand gefülltes Objekt zum Mond zu schicken, und dort für eine Rückkehr zur Erde so zu bremsen, daß das Objekt entgegen der Umlaufrichtung in die Geostationäre Bahn einschwenken kann. Wieder zurück bei der Erde schwenkt das Objekt falsch herum in die geostationäre Bahn ein und eine kleine Sprengladung explodiert. Damit hat man einen Schauer kleiner Partikel die alles in der Geostationären Bahn schreddern.

    Der Umweg über den Mond hat zwei Gründe:
    – man kann so eine größere Masse rückwärts in die Geostationäre Bahn einschießen als direkt.
    – Es ist nicht sofort nach dem Start offensichtlich was man vor hat. (Frühestens nach der Umlenkung am Mond.)

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