Zusammenfassung:
Mit der steigenden Zahl von Satelliten in erdnahen Umlaufbahnen wird Weltraummüll zu einem wichtigen Problem, das die Sicherheit von Raumfahrzeugen gefährdet. Angesichts einer zunehmend überfüllten Umlaufbahn entwickeln Satellitenhersteller und Forschungseinrichtungen mithilfe neuer Materialien und 3D-Drucktechnologie neue Aufprallsensoren, leichtere Schutzpanzerungen und Abschirmstrukturen, in der Hoffnung, dass Satelliten so weit wie möglich ihren normalen Betrieb aufrechterhalten können, selbst wenn sie von Trümmern mit hoher Geschwindigkeit getroffen werden.
Derzeit können sich Weltraummüll in einer erdnahen Umlaufbahn mit einer Geschwindigkeit von etwa 7 Kilometern pro Sekunde bewegen. Bei solchen Geschwindigkeiten kann bereits ein kleines Fragment die Satellitenelektronik beschädigen, in externe Komponenten eindringen oder sogar direkt zum Ausfall des gesamten Satelliten führen. Daten der Europäischen Weltraumorganisation zeigen, dass sich die Zahl der von Menschenhand geschaffenen Objekte in der Erdumlaufbahn seit 2017 mehr als verdoppelt hat, und das Problem verschärft sich, da weiterhin kommerzielle Satellitenkonstellationen eingesetzt werden.
Weltraummüll sind nicht nur verlassene Satelliten und Raketentrümmer, sondern auch Metallfragmente, Kunststoffe, Farbfragmente und andere winzige Objekte, die nach Kollisionen entstehen. Da sie so klein sind, können viele Trümmer nicht direkt von Bodensystemen verfolgt werden, aber die zerstörerische Kraft, die ein Hochgeschwindigkeitsflug erzeugt, ist nicht zu unterschätzen. Die Europäische Weltraumorganisation schätzt derzeit, dass es Zehntausende verfolgbare Objekte im Orbit gibt, und die tatsächliche Anzahl an Trümmern, die größer als 1 Zentimeter sind und groß genug sind, um einem Raumschiff katastrophalen Schaden zuzufügen, könnte 1,2 Millionen überschreiten.
Satellitenhersteller versuchen nicht nur, die Entstehung neuen Weltraumschrotts zu reduzieren, sondern denken auch über eine weitere praktische Frage nach: Wie lässt sich die Wahrscheinlichkeit erhöhen, dass Satelliten „überleben“, wenn Kollisionen nicht vermieden werden können? Odin Space in Santa Ana, Kalifornien, USA, hat mit dem Verkauf eines klebrigen Sensorstreifens begonnen, der auf der Oberfläche eines Satelliten installiert wird. Es ist mit einem Vibrationssensor im Inneren ausgestattet, der die beim Aufprall des Satelliten erzeugten Vibrationen aufzeichnen und den Bedienern dabei helfen kann, die ungefähre Größe und Aufprallkraft des Aufpralls zu bestimmen.
Diese Technologie verspricht die Lösung eines seit langem bestehenden Problems in der Kleinsatellitenindustrie. Eine Studie aus dem Jahr 2021 ergab, dass etwa jeder fünfte Kleinsatellit innerhalb eines Jahres nach dem Start nicht mehr funktioniert, und die Ursache für etwa 60 % dieser Ausfälle ist unklar. Trümmereinschläge sind eine mögliche Ursache, aber Satellitenausfälle liefern den Betreibern oft keine ausreichenden Beweise, um festzustellen, was passiert ist.
Wenn Satelliten den Zeitpunkt, die Intensität und die Eigenschaften von Einschlägen aufzeichnen können, können Hersteller diese Daten mit Satellitenausfällen korrelieren, um die tatsächlichen Bedrohungen in verschiedenen Orbitalumgebungen besser zu bestimmen. Diese Daten können in Zukunft auch zur Verbesserung des Strukturdesigns von Satelliten genutzt werden, sodass Ingenieure die gängigsten Trümmerarten und Aufprallrichtungen verstärken können, ohne einfach das Schutzgewicht des gesamten Satelliten zu erhöhen.
Aluminium ist derzeit immer noch eines der am häufigsten verwendeten Schutzmaterialien für Raumfahrzeuge. Viele Satelliten verwenden Aluminiumplatten und Aluminiumwabenstrukturen, um den Rumpf zu verstärken. Diese Lösung ist leichter und relativ ausgereift in der Herstellung, bietet aber nur begrenzte Schutzmöglichkeiten gegenüber schnell fliegenden Trümmern.
Eine bewährtere Lösung ist das Whipple Shield. Diese Struktur fügt einige Zentimeter vor der Haupthülle des Satelliten eine dünne äußere Pufferschicht hinzu. Wenn Trümmer mit hoher Geschwindigkeit auf die äußere Struktur treffen, werden diese zunächst zerbrochen und verdampft. Anschließend trifft die gebildete Trümmerwolke auf die hintere Hauptschutzschicht und verringert so die Aufprallenergie, die letztendlich auf das Innere des Raumfahrzeugs übertragen wird. Der Whipple-Schild hat sich als sehr effektiv erwiesen, das Problem besteht jedoch darin, dass er das Gewicht erhöht und wertvollen Innenraum einnimmt, zwei der empfindlichsten Parameter beim Satellitendesign.
Atomic-6 in der Nähe von Atlanta, USA, entwickelt eine Alternative namens „Space Armor“. Zu den genauen Inhaltsstoffen der zusammengesetzten Schutzsteine machte das Unternehmen keine Angaben, aber jeder Schutzstein ist etwa handtellergroß, etwa 2,5 Zentimeter dick und wiegt etwa so viel wie ein iPhone.
Tests von Atomic-6 haben gezeigt, dass das Material etwa erbsengroße Aluminiumprojektile stoppen kann, die sich mit einer Geschwindigkeit von 7,2 Kilometern pro Sekunde fortbewegen. Trevor Smith, CEO des Unternehmens, sagte, dass dieses Material im Gegensatz zu herkömmlichen Schutzstrukturen keine großen Mengen an Hochgeschwindigkeitsfragmenten produziert, die denen ähneln, die nach dem Durchbrechen des Metallschilds entstehen, sondern dass die auftreffenden Metallfragmente verdampfen und vom Schutzmaterial absorbiert werden können.
Mittlerweile versuchen andere Forschungsteams, das Gewicht von Schutzsystemen durch die Kombination verschiedener Materialien zu reduzieren. Kevlar-Fasern wurden beispielsweise in kugelsicherer Ausrüstung und auch in der Schutzstruktur der Internationalen Raumstation verwendet. Forscher experimentieren mit der Kombination von Kevlar mit Nextel-Gewebekeramik, um leichtere Schutzschichten zu schaffen, insbesondere für kleinere, kostengünstigere Satelliten.
Forscher der Universität Padua in Italien haben die 3D-Drucktechnologie ins Visier genommen. Sie verwenden Aluminium, Kevlar und kohlenstofffaserverstärktes Harz, um experimentelle Schutzstrukturen zu schaffen. Der größte Vorteil des 3D-Drucks ist seine Fähigkeit, komplexe Hohlraumstrukturen im Inneren von Materialien zu entwerfen. Diese Hohlräume ermöglichen eine mehrfache Fragmentierung und einen Energieverbrauch von Hochgeschwindigkeitsfragmenten beim Durchdringen der Schutzschicht, wodurch eine abgestufte Schutzwirkung ähnlich dem Whipple-Schild erzielt wird.
Die NASA testet auch eine andere Idee, nämlich die Verwendung von Aluminiumschaum als Schutzmaterial. Im Inneren des Aluminiumschaums befinden sich zahlreiche winzige Hohlräume. In Tests konnte eine Aluminiumschaum-Schutzschicht mit einer Dicke von etwas mehr als 6 mm einen ähnlichen Schutz bieten wie ein herkömmlicher Whipple-Schild, der etwa doppelt so viel wiegt wie die Aluminiumschaumlösung. Dies bedeutet, dass Satellitenhersteller, wenn die entsprechende Technologie weiter ausgereift ist, möglicherweise in der Lage sind, die Schutzfähigkeiten zu verbessern, ohne das Startgewicht wesentlich zu erhöhen.
Es gibt jedoch keine „universelle Panzerung“, die auf alle Satelliten angewendet werden kann. Die Trümmerumgebung in verschiedenen Umlaufbahnen ist nicht gleich und die Zusammensetzung, Größe und Geschwindigkeit der Trümmer können variieren. Ingenieure müssen basierend auf der spezifischen Orbitumgebung, in der sich der Satellit befindet, entscheiden, welche Materialien und Strukturen verwendet werden sollen.
Rannveig Marie Faergestad, Schutzdesignerin bei Thales Alenia Space, sagte, dass Ingenieure Materialien gezielter auswählen und Schutzstrukturen entwerfen können, wenn genauere Daten zur Trümmerumgebung in der Umlaufbahn erhalten werden könnten. Mit anderen Worten: Die Entwicklung des künftigen Satellitenschutzes wird nicht nur auf stärkeren Materialien basieren, sondern auch auf einem genaueren Verständnis der Umlaufumgebung.
Hier könnten auch Aufprallsensoren eine wichtige Rolle spielen. In der Vergangenheit haben sich Satellitenhersteller hauptsächlich auf theoretische Modelle verlassen, um mögliche Bedrohungen durch Trümmer vorherzusagen, während auf Satelliten installierte Sensoren reale Aufpralldaten liefern können. Durch das Sammeln dieser Daten im Laufe der Zeit können Betreiber ein klareres Verständnis der Arten von Trümmern und Aufprallrisiken gewinnen, denen Satelliten tatsächlich ausgesetzt sind, und das Schutzdesign von Satelliten der nächsten Generation weiter optimieren.
Während große Satellitenkonstellationen weiterhin in die erdnahe Umlaufbahn eintreten, verändert sich die Weltraumumgebung von einem relativ lockeren Betriebsraum in der Vergangenheit zu einer zunehmend überfüllten Infrastruktur. Die Europäische Weltraumorganisation warnt davor, dass die vorhandenen Trümmer aufgrund von Kollisionen und Zerfall weiter zunehmen könnten, selbst wenn sie in Zukunft keine neuen Raumfahrzeuge mehr starten würde. Daher werden die Verringerung der Entstehung neuer Trümmer, die Verbesserung der Widerstandsfähigkeit gegen Satelliteneinschläge und die proaktive Beseitigung vorhandener Weltraumschrotte zu Schlüsselmaßnahmen für die langfristige Aufrechterhaltung der erdnahen Umlaufbahn.
Für Satellitenhersteller geht es im Wettbewerb der Zukunft nicht nur darum, Satelliten leichter, billiger und einfacher zu starten, sondern auch darum, wie man sie in der immer gefährlicher werdenden Umlaufbahn länger überleben lässt. Technologien wie Sensoren, neue Verbundwerkstoffe, Aluminiumschaum und 3D-gedruckte Strukturen ermöglichen es Satelliten nach und nach, von der bloßen „Umgehung“ von Weltraummüll zu stärkeren aktiven Sensor- und passiven Schutzfunktionen überzugehen.
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