Mit Lasertechnik dem Weltraumschrott auf der Spur

Forscher des DLR arbeiten an Lösungen zur Reduzierung von gefährlichem Weltraumschrott und setzen dabei auf Komponenten von item.

Derzeit sind am Institut für Technische Physik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) in Stuttgart die Augen in der Dämmerung oft auf den Himmel gerichtet. Zu dieser Zeit ist es am Boden für den effektiven Einsatz von Teleskopen schon dunkel genug, während im niedrigen Erdorbit die Sonne noch nicht ganz untergegangen ist. Der Grund: Die zahlreichen Trümmer als Nebeneffekt jahrzehntelanger Raumfahrt reflektieren genau jetzt das letzte Licht des Tages und können so über den Elevations- und Azimutwinkel erfasst werden. Zusammen mit einer vom DLR entwickelten Abstandsmessung nach dem Laser-Laufzeit-Verfahren lässt sich eine metergenaue Bahnprognose des Trümmerteils erstellen. Damit dies funktioniert, setzt das DLR unter anderem auf eine Spezialkonstruktion aus Komponenten unseres MB Systembaukastens.

Weltraumschrott als unterschätzte Gefahr

An möglichen Zielen mangelt es den Forschern in Stuttgart auf keinen Fall. Geschätzt 750.000 Trümmerteile ab einer Größe von einem Zentimeter bis hin zu tonnenschweren defekten Satelliten umkreisen die Erde in unterschiedlichen Höhen. „Besonders kritisch sind Objekte mit einer Größe ab 10 Zentimetern, die sich in der erdnahen Umlaufbahn in einer Höhe von bis zu 2.000 Kilometern befinden. Etwa 17.000 Objekte größer als 10 Zentimeter sind international bisher erfasst“, sagt Wolfgang Riede, Leiter der Abteilung für Aktive optische Systeme am Institut für Technische Physik des DLR. Schätzungen gehen sogar von einer Gesamtzahl von 28.000 größeren Schrottteilen aus.

Die Hülle der ISS wurde darauf ausgelegt, Treffern von Weltraumschrott bis 1,4 Zentimeter Größe zu widerstehen.

Was Weltraumschrott dieser Größenordnung so kritisch macht, ist die starke Nutzung der erdnahen Umlaufbahn für kommerzielle Satelliten und die bemannte Raumfahrt. Schon kleinste Trümmerteile beschädigen die Solarzellen von Satelliten und reduzieren so deren Leistungsfähigkeit. Bei Geschwindigkeiten von acht Kilometern pro Sekunde hätte ein Treffer für einen Astronauten während eines Außeneinsatzes fatale Folgen: „Die Hülle der Internationalen Raumstation wurde gezielt darauf ausgelegt, Treffern von Weltraumschrott bis zu einer Größe von 1,4 Zentimetern zu widerstehen“, erläutert Herr Riede. Bei allem darüber und zu geringer Vorwarnzeit bleibt der Besatzung nur die Evakuierung in die Sojus-Rettungskapsel und im Zweifel die Aufgabe der 100 Milliarden Euro teuren Station.

Netzwerk aus mobilen Weltraumschrott-Beobachtungsstationen

Damit es dazu im Idealfall bald nicht mehr kommen muss, treibt das Institut für Technische Physik des DLR die auf Lasern basierende Bodenstationstechnologie voran. Der laut Wolfgang Riede entscheidende Vorteil des Konzepts: „Im Vergleich zur bekannten Erfassung von Weltraumschrott mittels Radar fallen bei der Bahnbestimmung über die Laser-Laufzeit-Messung 90 % weniger Kosten an“. Allerdings hat die Methode auch einen Nachteil: Sie ist zwingend auf Sichtkontakt zum Weltraumschrott und damit auf die passenden Wetterbedingungen angewiesen.

Bei der Bahnbestimmung über die Laser-Laufzeit-Messung 90% weniger Kosten an.

Es braucht ein weitmaschiges Netz von Überwachungsstationen, damit Satellitenbetreiber und internationale Weltraumagenturen in Zukunft mit exakten Bahnprognosen versorgt werden können. „Irgendwo ist immer gutes Wetter und eine größtmögliche Abdeckung des Himmels würde die Qualität der Prognosen zusätzlich steigern“, so Herr Riede. Erster Anlaufpunkt sind hier Standorte mit optimalen Bedingungen für Astronomen, etwa die Kanarischen Inseln, Chile oder Hawaii. Im besten Fall werden diese durch weitere Standorte ergänzt, die möglichst weit im Süden und Norden liegen.

Mobile Beobachtungsstationen mit Schutzeinhausungen von item

Um insbesondere diese weißen Flecken auf der Beobachtungs-Landkarte zu tilgen, wird das System parallel als transportable Version ausgelegt. Die gesamte Technik passt dabei in einen 20-Fuß-Container mit integrierter Stromversorgung. Insgesamt kommt die mobile Beobachtungsstation damit auf ein Gewicht von fast zehn Tonnen. Am jeweiligen Einsatzort angekommen, lässt sich das Dach öffnen, wodurch das an einer Montierung befestigte Duo aus einem Laser-Transmitter-Teleskop und einem 17-Zoll-Teleskop – als Empfänger der zurücklaufenden Laserimpulse – freie Sicht auf den Himmel hat.

Der eigentliche Laser befindet sich in einer Box unterhalb der Montierung und wird über einen Coudé-Strahlengang direkt zum Transmitter geführt. Box und Montierung schirmen den Laserstrahl von der Außenwelt ab, sodass der Einsatz hochfrequenter Laser ohne Einschränkung der Pulsenergie möglich ist. Innerhalb der Box, die aus schwarzem 40×40 Profil 8 und schwarz eloxierten Aluminium-Flächenelementen konstruiert ist, wird der hochpräzise Laserstrahl zudem ausgerichtet. Aus diesem Grund muss dieser Bereich stets absolut staubfrei sein.

Höchste Präzision für die Vermeidung von neuem Weltraumschrott

Somit erfüllt die durch weiteres Zubehör von item Laserdichte Schutzeinhausung zwei entscheidende Anforderungen: Sie schirmt den Laser im Einsatz vor Außeneinflüssen wie Wetter, zu starken Temperaturschwankungen und den angesprochenen Staubeinflüssen ab. Gleichzeitig schützt sie Personen im direkten Umfeld zuverlässig vor der Streuung und Reflexion des Laserstrahls. „Durch die modulare Bauweise sind trotzdem jederzeit Reparaturen und Korrekturen an einzelnen Elementen möglich. Dies gibt uns die notwendige Flexibilität bei der Arbeit an optomechanischen Systemen“, fasst Herr Riede die häufige Nutzung von item Komponenten zusammen.

Langfristig könnte ein Netzwerk der kosteneffizienten Beobachtungsstationen ein wichtiger Baustein bei der Vermeidung von neuem Weltraummüll sein. Mit exakten Bahnprognosen hätten Satellitenbetreiber genug Zeit, um rechtzeitige Ausweichmanöver zu initiieren. Jede größere Kollision im Orbit erhöht die Gefahr, dass durch den Kaskadeneffekt eine Vielzahl neuer Trümmer entsteht. „Je eher in die Vermeidung von Weltraumschrott bei der Planung neuer Missionen und die Verhinderung von Kollisionen investiert wird, desto besser wird sich das Problem in den Griff bekommen lassen“, sagt Wolfgang Riede. Ab einem kritischen Punkt müssten zunächst kostspielig komplett neue Verfahren zur Reduzierung der dann komplett vermüllten erdnahen Umlaufbahn entwickelt werden. In der Zwischenzeit wäre dieser Bereich für die Raumfahrt nicht mehr nutzbar.

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