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All(es) Müll? : Wie der Klimawandel die Raumfahrt gefährdet

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Die Satelliten der „Starlink-Konstellation“ des amerikanischen Weltraumunternehmens SpaceX könnten schon bald die Raumfahrt im niederen Erdorbit gefährden. Bild: Science Photo Library

Der Klimawandel hat Konsequenzen für Satelliten und Weltraumschrott. Die Treibhausgase bewirken eine Abnahme der Luftdichte im Bereich des niederen Erdorbits.

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          Eigentlich könnte es ein Grund zur Freude sein: Die Lebensdauer millionenteurer Satelliten wird sich in Zukunft wohl deutlich verlängern. Das jedenfalls legt eine von Matthew Brown von der Universität von Southampton in Großbritannien und seinen Kollegen Anfang April in der Fachzeitschrift Journal of Geophysical Research: Atmospheres veröffentlichte Studie nahe. Der Grund ist die Zunahme an CO₂ in der Atmosphäre, die deren Wechselwirkung mit Objekten im Orbit verändert. Doch nicht nur kommerzielle, militärische und wissenschaftliche Satelliten werden profitieren.

          Auch die Aufenthaltsdauer des die menschlichen Aktivitäten im Erdorbit begleitenden „Weltraumschrotts“ wird sich verlängern. Unter Weltraumschrott versteht man ausgediente, nicht mehr steuerbare Satelliten, leere Raketenstufen und viele, oft nur zentimetergroße Schrottteilchen. Diese bedrohen nicht nur die noch aktiven Satelliten, sondern auch Raumfahrer im All. In Orbithöhen von 2000 Kilometern und weniger, dem im Weltraumjargon so genannten „Low Earth Orbit“, kurz LEO, verfolgen NASA und ESA rund 17.500 Objekte mit Größen von zehn Zentimetern oder mehr. Nur 2300 davon sind aktive Satelliten. Auch die ISS kreist in etwa 400 Kilometer Höhe und damit in der LEO-Zone. Jede Kollision eines Satelliten mit Weltraumschrott kann fatale Folgen haben.

          Glücklicherweise sorgt die dünne Restatmosphäre bis in einige 100 Kilometer Höhe für eine „Selbstreinigung“ des Weltraums: Die geringe, aber dennoch spürbare Reibung mit der Luft lässt alle Objekte nach und nach zur Erde zurückstürzen. Nur in noch größeren Höhen verbleiben sie ohne weiteres Zutun viele tausend Jahre oder auch ewig. Die Dichte der sogenannten Thermosphäre an der Grenze zum luftleeren Weltraum schwankt mit der Aktivität der Sonne – und ändert sich offenbar auch in der Folge des menschengemachten Klimawandels.

          Das computergenerierte Bild der ESA zeigt aktive Satelliten und Weltraummüll
          Das computergenerierte Bild der ESA zeigt aktive Satelliten und Weltraummüll : Bild: dpa

          Schuld hat einmal mehr das in die Luft geblasene Kohlendioxid: Das CO₂ wandelt als Treibhausgas Sonnenstrahlung in langwellige Infrarotstrahlung um. In tieferen Atmosphärenschichten nahe dem Erdboden wird diese Wärmestrahlung schnell absorbiert, was zur bekannten globalen Erwärmung der Atmosphäre führt. Ganz anders sieht es in der viel dünneren Hochatmosphäre aus: Hier entweicht die Infrarotstrahlung nahezu ungehindert ins All. Die Folge ist eine starke Abkühlung – und damit eine Abnahme der Luftdichte im Bereich des niederen Erdorbits.

          Wacklige Selbstverpfichtung der Raumfahrtakteure

          Dieser Effekt ist bereits seit Jahren bekannt. Folgt man jedoch der Analyse von Brown und seinen Kollegen, dann wurden seine Auswirkungen auf die Raumfahrt bislang drastisch unterschätzt. Die Forscher simulierten die zu erwartende Abnahme der Atmosphärendichte bis in 500 Kilometer Höhe durch ein Computermodell, in das sie verschiedene, vom Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) in seinem fünften Sachstandsbericht veröffentlichte Szenarien der CO₂-Zunahme einspeisten. Die Ergebnisse sind bemerkenswert: Im schlimmsten vom IPCC skizzierten Fall sänke die Dichte in 500 Kilometer Höhe bis zum Jahr 2100 um ganze 80 Prozent.

          Je weniger CO₂ in den kommenden Jahrzehnten in die Atmosphäre gelangt, desto geringer ist der Effekt, doch selbst im günstigsten zu erwartenden Szenario wird die Atmosphärendichte im LEO in den kommenden Jahrzehnten spürbar abnehmen – und sich die Lebensdauern von Satelliten und Schrott entsprechend verlängern. Selbst wenn das 1,5-Grad-Klimaziel des Pariser Klimaabkommens von 2015 erreicht würde, schätzen Brown und sein Team, werden Objekte im LEO rund 30 Prozent länger kreisen als im Vergleich zum Jahr 2000.

          Bei Lanzeitbelichtung erscheinen die Starlink-Satelliten den Nachthimmel zu schraffieren. Aufgenommen am 9. Mai bei Herrnleis in Österreich.
          Bei Lanzeitbelichtung erscheinen die Starlink-Satelliten den Nachthimmel zu schraffieren. Aufgenommen am 9. Mai bei Herrnleis in Österreich. : Bild: EPA

          Für Holger Krag, Leiter des „Space Debris Office“ der ESA in Darmstadt, hat die Studie für die Raumfahrt auch vor dem Hintergrund zunehmender Beanspruchung des LEO durch private Raumfahrtunternehmen Relevanz: „Viele Satelliten aus Großkonstellationen werden zurzeit knapp über 500 Kilometer Höhe platziert, hier müsste gegebenenfalls geprüft werden, ob diese Satelliten nach dem Betrieb vielleicht noch tiefer in die Atmosphäre entsorgt werden müssen als bisher.“ Dieser Bereich wurde in Browns Arbeit nicht betrachtet, doch hier wären die Folgen besonders drastisch: „Bei Höhen von 800 Kilometern liegt die natürliche Bahnlebensdauer im Bereich von einigen hundert Jahren. Sollte der beschriebene Effekt auch hier gelten, hätte das für die langfristige Entwicklung spürbare Folgen.“ Krag verweist auf die Selbstverpflichtung der Raumfahrt betreibenden Akteure, ihre ausgedienten Satelliten zukünftig wenn nötig aktiv zu entsorgen, etwa dadurch, dass ein Raumfahrzeug am Ende seiner Dienstzeit gezielt mithilfe von Raketentriebwerken in die Atmosphäre gesteuert wird – sofern es sich noch steuern lässt. „Die technische Forderung ist, dass alle Raumfahrtobjekte spätestens nach 25 Jahren die niedrigen Erdorbits verlassen haben müssen.“

          Das US-Unternehmen SpaceX, das seit 2019 bereits rund 1600 Satelliten seiner „Starlink-Großkonstellation“ in den LEO geschickt hat und noch mehrere Zehntausend davon plant, verlässt sich jedoch beispielsweise bislang allein auf die Erdatmosphäre als Entsorger und geht davon aus, dass unkontrollierbare Satelliten nach spätestens fünf Jahren in der Atmosphäre verglühen. Solche Rechnungen wird man im Lichte der neuen Erkenntnisse wohl aktualisieren müssen.

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