Die West Virginia University untersucht den Einsatz von Weltraumlasern mit künstlicher Intelligenz, um Weltraumschrott umzuleiten und so das Risiko von Kollisionen zu verringern. Das von der NASA unterstützte Programm zielt darauf ab, Trümmer aller Größen zu bewältigen und validiert derzeit seine Algorithmen und Modelle.

Die niedrige Umlaufbahn der Erde füllt sich mit Müll, der eine Bedrohung für Weltraumressourcen darstellt. Neue Forschungsergebnisse der West Virginia University untersuchen, ob weltraumgestützte Laser winzige Partikel oder große Trümmerstücke aus der Umlaufbahn entfernen können, wo sie mit Objekten wie Satelliten oder Raumstationen kollidieren könnten. Bildnachweis: West Virginia University Illustration/Savanna Leech

Wenn sich die Forschung als erfolgreich erweist, könnte ein koordiniertes Netzwerk von Weltraumlasern Trümmer, die die Erdumlaufbahn verunreinigen und eine Gefahr für Raumfahrzeuge und Satelliten darstellen, von möglichen Kollisionsbahnen ablenken.

Hang Woon Lee, Direktor des Space Systems Operations Research Laboratory an der West Virginia University, sagte, dass sich auf der Erde eine große Menge künstlicher Trümmer ansammeln, darunter auch nicht mehr funktionierende Satelliten. Je mehr Trümmer sich im Orbit befinden, desto höher ist das Risiko, dass ein Teil davon mit bemannten und unbemannten Weltraumgeräten kollidiert. Er glaubt, dass der beste Weg, diese Kollisionen zu verhindern, darin besteht, mehrere Laser-Arrays auf Weltraumplattformen zu installieren. Diese mit künstlicher Intelligenz betriebenen Laser können gemeinsam manövrieren, um schnell auf Trümmer jeder Größe zu reagieren.

HangWoonLee ist Assistenzprofessor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik am Benjamin M. Statler College of Engineering and Mineral Resources der West Virginia University; Direktor des Space Systems Operations Research Laboratory an der West Virginia University. Bildnachweis: Foto der West Virginia University

NASA-Unterstützung und Forschungsfortschritte

Lee, Assistenzprofessor am Fachbereich Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik der Benjamin M. Statler School of Engineering and Mineral Resources, hat den prestigeträchtigen Early Career Faculty Award 2023 der NASA für potenziell bahnbrechende Forschung erhalten. Die NASA finanziert Lees Forschung zur schnellen Trümmerbeseitigung mit 200.000 US-Dollar pro Jahr für einen Zeitraum von bis zu drei Jahren.

Die Arbeiten befinden sich derzeit in einem frühen Stadium und das Team validiert, ob der von ihnen vorgeschlagene Algorithmus zum Betrieb des Lasersystems eine effiziente und kostengünstige Lösung ist. „Unser langfristiges Ziel besteht darin, dass ‚mehrere weltraumgestützte Laser aktiv Orbitalmanöver durchführen und gemeinsam mit Trümmern im Orbit umgehen‘, was dazu beitragen wird, Kollisionen mit hochwertigen Weltraumressourcen rechtzeitig zu vermeiden“, sagte Li. „Das aktuelle Ziel besteht darin, ein rekonfigurierbares weltraumgestütztes Lasernetzwerk und eine Reihe von Algorithmen zu entwickeln. Diese Algorithmen werden die Schlüsseltechnologien sein, um ein solches Netzwerk zu ermöglichen und seine Vorteile zu maximieren.“

Die wachsende Herausforderung durch Weltraummüll

Wenn ein natürliches Objekt (z. B. ein Mikrometeoroid) auf ein von Menschenhand geschaffenes Objekt (z. B. die Überreste einer Trägerrakete) trifft, können sich die entstehenden Trümmer schnell ausbreiten, und selbst kleine Fragmente wie ein Farbfleck können die Kraft haben, die Seite eines Beobachtungs- oder Kommunikationssatelliten oder der Internationalen Raumstation zu durchbohren. Dies ist zu einem dringenden Problem geworden, da der Raum immer unübersichtlicher wird. Insbesondere die niedrige Umlaufbahn der Erde hat kommerzielle Telekommunikationssysteme wie Starlink von SpaceX angezogen, das Satelliten nutzt, um Benutzern Breitband-Internet bereitzustellen. In der niedrigen Umlaufbahn befinden sich auch Satelliten, die für Wettervorhersagen und Landbedeckungsanalysen verwendet werden, sowie ein Stützpunkt für die Erforschung des Weltraums.

„Die erhöhte Anzahl von Objekten erhöht das Risiko von Kollisionen, gefährdet bemannte Missionen und gefährdet hochwertige wissenschaftliche und industrielle Missionen“, sagte Lee. Er fügte hinzu, dass Kollisionen im Weltraum einen Dominoeffekt auslösen können, der als „Kessler-Syndrom“ bekannt ist und eine Kettenreaktion auslöst, die das Risiko weiterer Kollisionen erhöht und den Weltraum unhaltbar und feindselig macht.

Laservorteile im Vergleich zu anderen Technologien

Andere Forscher entwickeln Technologien zur Trümmerbeseitigung wie Haken, Harpunen, Netze und Kehrmaschinen, die jedoch nur bei großen Trümmern funktionieren. Lees Methode sollte in der Lage sein, mit Trümmern nahezu jeder Größe umzugehen.

Die Algorithmen, die Lis Team entwickeln wird, könnten möglicherweise an Laser angepasst werden, die auf großen Satelliten montiert sind, oder sie könnten Laser antreiben, die auf ihren eigenen, speziell gebauten Plattformen montiert sind. Im Rahmen seiner Forschung wird er verschiedene Formen bewerten, die Lasernetzwerke annehmen könnten. In beiden Formen wird die Technologie in der Lage sein, viele Entscheidungen selbstständig zu treffen, Aktionen selbstständig durchzuführen und Prioritäten zu setzen.

Das System entscheidet, welche Laserkombinationen auf welche Trümmer zielen und stellt gleichzeitig sicher, dass die resultierenden Flugbahnen kollisionsfrei sind.

Wenn ein Laser auf ein Trümmerstück trifft, zerstört er es nicht. Stattdessen werden die Trümmer in eine neue Umlaufbahn geschoben, üblicherweise durch Laserablation. Das bedeutet, dass der Laserstrahl einen kleinen Teil der Trümmer verdampft und so eine Hochgeschwindigkeits-Plasmafahne erzeugt, die die Trümmer aus der Umlaufbahn schiebt.

Laserablations- und Photonendruckprozesse führen zu Änderungen der Geschwindigkeit des Zielfragments und letztendlich zu einer Änderung der Größe und Form seiner Umlaufbahn. Das ist die Motivation für den Einsatz von Lasern. „Die Fähigkeit, die Umlaufbahn von Trümmern zu ändern, kann durch ein Lasernetzwerk effektiv gesteuert werden, sodass sich Weltraumschrott bewegen oder aus der Umlaufbahn entfernen und potenziell katastrophale Ereignisse wie Kollisionen vermeiden kann“, erklärte Li.

„Der Einsatz eines Systems aus mehreren Lasern kann mehrere Möglichkeiten für den Kontakt mit Trümmern schaffen und so eine effektivere Flugbahnkontrolle ermöglichen. Mehrere Laser können gleichzeitig über einen größeren Intensitätsbereich auf ein Ziel einwirken und dessen Flugbahn auf eine Weise verändern, die ein einzelner Laser nicht kann.“

Lee wird mit Scott Zemerick, dem leitenden Systemingenieur bei TMC Technologies mit Sitz in Fairmont, zusammenarbeiten, um alle im Laufe des Projekts entwickelten Modelle und Algorithmen in einer „Digital-Twin-Umgebung“ zu validieren. Li sagte, dadurch werde sichergestellt, dass das Produkt in Flugsoftware verwendet werden könne.