Die Satellitenentsorgung

Immer wieder kommt es in den Medien zur Diskussion über das Risiko durch Weltraummüll. Tatsache ist, es wird immer mehr. Inzwischen gibt es schon internationale Vereinbarungen zu dessen Reduktion, aber keine verpflichtende. Die sehen vor, dass erdnahe Satelliten am Ende ihrer Betriebszeit ihre Bahn insoweit absenken, dass sie innerhalb von 25 Jahren verglühen. Das bedeutet die Bahn wird auf 500 – 600 km Höhe abgesenkt je nach Größe des Satelliten und seines Luftwiderstands.

Doch es gibt jede Menge Satelliten die nicht mehr in Betrieb sind und in deutlich höheren Bahnen ihre Kreise ziehen. Die frühen Wettersatelliten der NOAA umkreisten die Erde in 1300 bis 1400 km Höhe. Die ersten Landsat in 910 km Höhe. In einem vereinfachten Modell errechne ich für die ersten Landsats bei 10 m² Oberfläche und 910 kg Gewicht in 600 km Höhe eine Lebensdauer von etwa 33 Jahre, in der Höhe von 912 km in denen sie aber operieren, aber rund 2400 Jahre.

Es gibt noch jede Menge dieser Objekte im Orbit. Nimmt man die Daten von Jonathan Mc. Dowell sind von 1418 Objekten die jemals in einen Orbit zwischen 700 und 1450 km Höhe gestartet wurden bis auf 22 noch alle im Orbit. Drei sind natürlich verglüht (Ballonsatelliten), 19 wurden deorbitiert (militärische Satelliten).

Glücklicherweise rücken heutige Satelliten oftmals näher an die Erde heran. Das betrifft vor allem die Erdbeobachtungssatelliten. ESA’s Metpop z.B. in nur noch 800 bis 820 km Höhe, viele Erderkundungssatelliten in nur noch 500 bis 600 km Höhe, wo sie ohne das man etwas tut ohnehin in einigen Jahrzehnten verglühen. Doch die Altlasten bleiben. Zudem kann ein Satellit jederzeit ausfallen, so wie dies Envisat tat bevor man seine Bahn absenken konnte, was wenige Jahre später geplant war, wenn die Nachfolgegeneration an Erdbeobachtungssatelliten im Einsatz ist.

Wenn man den Weltraummüll reduzieren will wird man sicher mit den Satelliten anfangen. Dafür gibt es zwei gute Gründe: Sie sind größer und schwerer. Die Kollision ist um so wahrscheinlicher je größer ein Objekt ist und Satelliten mit ausladenden Solarzellenflächen oder SAR-Antennen bieten nun mal ein größeres Ziel als ein Bruchstück. Zudem ist die Zahl der Teile die eine Kollision erzeugt so auch größer. Zudem ist es kleiner ein großes Objekt zu finden und an es anzukoppeln.

Ich will mal skizzieren wie so was effizient vonstatten gehen könnte. Dabei beschränke ich mich auf den erdnahen Raum. Das hat zwei Gründe: Der Aufwand wird um so größer je weiter entfernt der Satellit von der Erde ist, da man immer mehr Treibstoff braucht um die höhere Bahn zu erreichen. Gottseidank sind die die meisten Satelliten in noch erreichbaren erdnahen Bahnen. Daneben findet man dort auch noch die Raketenstufen, die sie in den Orbit gebracht haben.

Es gibt noch eine zweite dichter bevölkerte Region: die geostationäre Umlaufbahn. Dort ist die Taktik eine andere: man verschiebt mit dem Resttriebstoff den Satelliten in eine höhere Umlaufbahn, einen „Friedhofsorbit“. Damit ist er weit genug von den geostationären Satelliten entfernt. Würde man ihn nach innen verschieben, so könnten Raketenstufen die in der geostationären Übergangsbahn verbleiben ihn treffen. Fällt hier ein Satellit aus so kann er zwar auch mit anderen kollidieren, doch da sich alle Satelliten auf einer Umlaufbahn befinden sind die Relativgeschwindigkeiten klein. Sie sind aber gegeben, da die ungleichmäßige Form der Erde die Satelliten in Gravitationssenken bugsiert.

Etwa halb so viele Objekte tummeln sich in 19.000 km Höhe, dem Navstar Orbit. Für sie gilt das gleiche wie bei dem geostationären Orbit.

Ein System das Satelliten also in einen ungefährlichen Orbit bringt, würde wohl vor allem in sonnensynchronen Orbits über 600 km eingesetzt werden, bis in etwa 1400 km Höhe. Dort gibt es etliche Objekte, insgesamt über 1500. Die meisten komischerweise in der höchsten Bahn, fast 500 bewegen sich zwischen 1400 und 1500 km Höhe, 80% davon wurden durch Russland gestartet. Es handelt sich um kleine Strela Satelliten die vergleichsweise wenig wiegen und daher vielleicht nicht die erste Wahl sind wenn man an die Beseitigung des Mülls geht.

Vieles was man dazu braucht wird schon entwickelt. So testete die DLR beim letzten ATV Sensoren die eine Ankopplung an „unkooperative Objekte“ ermöglichen: Das ATV kann an die ISS deswegen ankoppeln, weil diese Reflektoren für Laserstrahlen hat. Sie ermöglichen eine präzise Ausrichtung der beiden Objekte. Netterweise rotiert oder taumelt die ISS auch nicht. Bei einem alten Satelliten oder eine Raketenstufe ist dem nicht so. Immerhin kann ,man die neuen Sensoren auf Basis von Infrarotkameras zur automatischen Annäherung nutzen, auch wenn man sicher das Einfangen manuell steuern wird.

Neben dem Ankoppeln wird die zweite Hauptaufgabe das Einfangen sein. Dafür gibt es verschiedene Methoden. Das Einhaken wurde vorgeschlagen, doch geht das nur wenn man irgendwo einhaken kann z.B. in einen Apogäumsmotor oder die Düse einer Raketenstufe. Dieser hat eine konische Form mit einer Verengung, dem Düsenhals. Dort ist das möglich. Gedacht wurde daran weniger zur Müllentsorgung als vielmehr zum Ersetzen der Steuerung durch chemischen Treibstoff bei Satelliten die ansonsten noch gut funktionieren. Bei den meisten Satelliten scheidet das Aus. Man kann sicher sich an den Solarpaneelen einhaken, doch wird man so bei einem Schubmanöver den Satelliten in Rotation bringen wenn es nur an einer Stelle erfolgt. Mehrere Haken sind allerdings komplex, sie müssen ja überall passen. Denkbar wäre dann wohl eher ein überdimensionierter Greifer, der mehrere flexible Glieder hat.  Die Verbindung muss (das gilt auch für die anderen Methoden) keine großen Kräfte aushalten. Chemische Raketentriebwerke haben 10 bis 500 N Schub, entsprechend auf der Erde dem Gewicht von 1 bis 50 kg. Ionentriebwerke liegen unter 1 n und damit ist die Kraft der Gewichtskraft einer Tafel Schokolade vergleichbar.

Eine zweite Lösung war ein Netz. Das klingt zuerst besser, es verhakt sich automatisch an Ecken oder herausstehenden Teilen. Bei mehreren Positionen hält es auch obwohl es flexibel ist. Das Problem ist das aber das Gespann rotieren kann oder sogar taumeln weil das Netz nur locker den zweiten Satelliten an den ersten bindet. Zudem muss man die Verbindung wieder trennen und das ist bei einem Netz komplizierter als nur die Haken wieder zu entspannen. Jedes Netz ist zudem ein Verlustgerät. Da man mehr als eine Nutzlast deorbitieren wird, ist das nicht von Vorteil.

Dieses Manko hat auch eine Methode die nach einem Film schon bei der ESA erprobt wird – eine Harpune wird auf den Satelliten geschossen und verhakt sich dort. Sofern das geht, ohne weitere Bruchstücke freizusetzen, klingt das gut. Das Problem beginnt bei der Bewegung, wo die nicht starre Leine zu einer Bewegung der beiden Satelliten zueinander führt. Die Leine kann sich so am „Bugsiergefährt“ verhaken, aber auch dieses ins Taumeln bringen. Die Lösung wäre keine Leine sondern ein flexibler Stab, der aus einzelnen vorher gefalteten Gliedern besteht die beim Ausfahren mit Scharnieren einschnappen und dann einen festen Stab bilden oder meine Idee: Man führt eine dickere Leine mit, in deren Mitte ein Kern aus UV-härtendem Kunststoff steckt so was wie das was für die Zahnfüllungen genutzt wird. Unter der solaren UV-Strahlung wird der Kern hart und die Verbindung damit steif.

Ein Vehikel wird natürlich mehrfach eingesetzt werden müssen. Sonst wäre es nicht rentabel. Einen Satelliten starten um einen zweiten abzuschleppen ist nicht rentabel. Da bei jedem Transfer Treibstoff verbraucht wird kann man leicht ausrechnen das man mit chemischen Treibstoff nur wenige Transfers absolvieren kann. Andererseits kann bei der heutigen Lebensdauer im Orbit ein solches Gefährt sicher 10 Jahre arbeiten. Ionentriebwerke könnten während der größten Teils dieser Zeit betrieben werden und so sehr viele Bahntransfers ermöglichen. Rechnet man nur 50% der Zeit als Betriebszeit für ein Ionentriebwerk, so kann man leicht ausrechnen, dass man so enorm viel Treibstoff verbrennen kann.

Man wird mehrere Vehikel einsetzen. Der Grund liegt in folgendem Diagramm

1° Inklinationsänderung kostet 1,7% der Bahngeschwindigkeit. Wenig, aber es kommt zur Geschwindigkeitsdifferenz hinzu. Innerhalb derselben Bahnhöhe ist die Inklination aber gleich. Zudem wurden früher viele Satelliten in gleiche Orbits gestartet. ein Gefährt kann so in einer Bahnhöhe mehrere Satelliten nacheinander entsorgen ohne die Inklination anzupassen. Eine Gefährt dass sowohl 700 km wie 1400 km Bahnhöhe bedient würde, müsste zusätzlich die Bahnneigung um 3.241 Grad anheben. Das sind 404 m/s zusätzlich zu den 426 m/s um die Bahn abzusenken.

Natürlich braucht man um so mehr Treibstoff je höher die Geschwindigkeitsdifferenz und damit die Orbithöhe ist, das zeigt folgende Tabelle:

Höhe [km] Kreisbahngeschwindigkeit [m/s] Geschwindigkeitsdifferenz zu 550 km Höhe [m/s]
700 7504 m/s 81 m/s
800 7452 133 m/s
900 7400 185 m/s
1000 7350 235 m/s
1100 7301 284 m/s
1200 7252 333 m/s
1300 7205 380 m/s
1400 7159 426 m/s
1500 7113 472 m/s

Ich habe 550 km Endhöhe (nach dem Herunterholen) angenommen, da aus dieser Höhe auch bei kleineren Solarzellen ein Satellit noch innerhalb von 25 Jahren deorbitiert, das entsprecht den internationalen Vereinbarungen. Gleichzeitig reduziert es den Treibstoffbedarf und das Gefährt selbst das Ionenantriebe einsetzt und damit große Solarzellenausleger hat, wird nicht zu stark abgebremst.

Im zweiten Teil will ich ein Beispiel für ein solches Gefährt vorrechnen.

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