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Antizipieren von Kollisionen zwischen Raumfahrzeugen und Weltraumschrott
Im September brach ein Trümmerstück von einem 19 Jahre alten, nicht betriebsbereiten NASA-Satelliten in 530 Meilen Höhe am Himmel ab. Das United States Space Surveillance Network (SSN), das für die Überwachung der mehr als 22.000 Satelliten und anderer Objekte im Orbit verantwortlich ist, hat das Ereignis erkannt, die Umlaufbahn des Fragments aufgezeichnet und festgestellt, dass es zur Internationalen Raumstation (ISS .) ). Wenn es das 100-Milliarden-Dollar-Labor trifft, könnte der Müll katastrophalen Schaden anrichten. Nach Erhalt der Warnung beschloss die NASA, das Raumschiff aus dem Weg der Trümmer zu manövrieren, eine Aufgabe, die sie jetzt etwa zweimal im Jahr durchführt. Die Gefahr einer solchen Kollision hat sich in den letzten zwei Jahren mehr als verdoppelt, sagt Nicholas L. Johnson , dem leitenden Wissenschaftler der NASA für Orbitaltrümmer.
Platz für Unordnung: Dieses computergenerierte Bild zeigt die riesige Menge an künstlichem Müll im Orbit.
Mehr als eine halbe Million von Menschenhand geschaffene Objekte von der Größe einer Murmel oder größer umkreisen jetzt die Erde – und 15.000 davon sind größer als eine Faust. Dieser Orbitalschrott oder Weltraumschrott umfasst inaktive Satelliten, verbrauchte Raketenkörper, Materialien von Feststoffraketenmotoren, Kollisionsfragmente und Missionsabfälle. Die meisten einsatzfähigen Raumfahrzeuge verwenden Schutzabschirmungen, um den Aufprall von Objekten mit einem Durchmesser von weniger als einem Zentimeter abzuschwächen. Aber da die größeren mit einer Geschwindigkeit von fünf Meilen pro Sekunde um die Erde rasen, könnte jeder von ihnen jeden Satelliten zerstören, mit dem er kollidierte. Die Situation gefährdet die 160 Milliarden Dollar schwere Satellitendienstleistungsbranche, die eine entscheidende Rolle für internationale Telefongespräche, Fernsehsendungen, Klima- und Wetterdaten und militärische Überwachung spielt.
Wachstumsrate der Anzahl von Trümmerobjekten in der Erdumlaufbahn, die größer als 10 Zentimeter sind.
Bildnachweis: NASA
Um zu verstehen, wie sich solche Bedrohungen entwickeln werden, und um die Wege des Weltraumschrotts vorherzusehen, damit Kollisionen vermieden werden können, hat die NASA eines der fortschrittlichsten Vorhersagemodelle der Welt entwickelt. Namens Legende (für erdnahen bis geosynchronen Umgebungsmüll) simuliert das dreidimensionale Modell die Routen aller verfolgbaren Weltraumobjekte und berücksichtigt sogar neuen Schutt aus zukünftigen Abstürzen. Um Unsicherheit und Zufälligkeit zu berücksichtigen, werden Hunderte von Szenarien mit der Monte-Carlo-Methode generiert, einem Satz von Algorithmen, die Risikofaktoren in einer komplexen Umgebung berechnen können. Mit Legend verwenden NASA-Wissenschaftler den Durchschnitt mehrerer Simulationen, um die Anzahl, Größe und Art von Objekten abzuschätzen, die kollidieren – und ungefähr wie oft. Im Gegensatz zu den Modellen, die von den U.S. Strategic Command Joint Space Operations Center , das große Objekte erkennt und verfolgt und aktive Satelliten täglich innerhalb von 72 Stunden auf mögliche Kollisionen überprüft, enthält Legend kleinere Fragmente und blickt weit in die Zukunft.
Das seit 2004 bestehende NASA-Modell wird ständig mit Daten gefüttert, die aus den Ergebnissen von Bodentests und aus der Umlaufbahn zerstörten Raumfahrzeugen stammen; von Teleskopen und Radargeräten, die den Himmel beobachten; und aus der Analyse von kratermarkierten Raumfahrzeugoberflächen, die zur Erde zurückgekehrt sind. Das bedeutet, dass ständig neue Simulationen durchgeführt werden müssen. Mit Legend können Wissenschaftler die Folgen einer bestimmten Trennung oder Kollision berechnen und die Manager der Raumstation warnen, dass sich ein Trümmerstück auf ihrem Weg befinden könnte. Das Modell weist auch bald startende Satelliten auf Gebiete hin, die sie meiden sollten, und wird Wissenschaftler bei ihrem Versuch leiten, zum ersten Mal eine Technologie zur Trümmerbeseitigung zu entwickeln und zu starten.
Weltraumvorhersagen: Dieses Diagramm zeigt die kumulative Anzahl von Kollisionen zwischen Objekten ab 10 Zentimetern. Die Steigung der Kurve ab 2009 basiert auf der Vorhersage des Legend-Modells von ungefähr 0,14 schrotterzeugenden Kollisionen pro Jahr zwischen katalogisierten Objekten. Tatsächliche Kollisionen ereigneten sich in den Jahren 1991, 2005 und 2009. (Drei Szenarien werden modelliert: BAU=business as usual; PMD=Post Mission Disposition; NFL=keine zukünftigen Starts)
In seinem Vortrag auf der ersten Orbital Debris Removal Conference im vergangenen Jahr sagte J.C. Liou, NASAs leitender Wissenschaftler für Legend, dass das Modell in den nächsten 200 Jahren 178 Kollisionen vorhersagte, davon 83 katastrophale in erdnahen Umlaufbahnen. Im Durchschnitt wird etwa alle fünf Jahre mit Kollisionen gerechnet. Der letzte Absturz ereignete sich im Februar 2009, als ein in Betrieb befindlicher Iridium-Telekommunikationssatellit mit mehr als 25.000 Meilen pro Stunde in einen ausgemusterten russischen Kosmos-Satelliten prallte. Die Kollision war die erste, die einen aktiven Satelliten zerstörte und mehr als 2.000 neue verfolgbare Trümmerteile erzeugte. Das Ereignis führte zu einer Änderung einer Politik, die seit der Gründung der NASA vor mehr als 50 Jahren in Kraft war. Nach der Big-Sky-Theorie wurde Weltraumschrott nicht als große Bedrohung angesehen, weil der Weltraum so groß ist. Die Big-Sky-Theorie sei kein tragfähiges Konzept für Weltraumoperationen mehr, sagt Chris Moss, Direktor des Joint Space Operations Center auf der kalifornischen Vandenberg Air Force Base. Satelliten werden jetzt auf bestimmte Umlaufbahnen konzentriert, betont Moss. Es ist nicht mehr trivial, dass zwei beliebige Objekte kollidieren können. Wir nehmen das Problem ernst und verwenden unsere Ressourcen, um es zu lösen.
Das ist eine gewaltige Aufgabe, zumal die kleineren Stücke Weltraumschrott nicht ohne weiteres vom Boden aus verfolgt werden können. Wir treten jetzt in eine Zeit ein, in der die orbitale Trümmerumgebung zunehmend durch zufällige Kollisionen kontrolliert wird, sagt Donald Kessler , ein Berater, der sich vor 14 Jahren von der NASA zurückgezogen hat. 1978 sagte Kessler als junger Astrophysiker der NASA voraus, dass im Jahr 2000 Fragmente von zufälligen Kollisionen in einer niedrigen Erdumlaufbahn zu einer bedeutenden Quelle kleiner Trümmer werden würden, die die Wahrscheinlichkeit noch weiterer Kollisionen erhöhen würden. Sein wegweisendes Papier Kollisionshäufigkeit künstlicher Satelliten: Die Entstehung eines Trümmergürtels führte zur Schaffung von NASAs Orbital Debris Program Office , wo er 17 Jahre als leitender Wissenschaftler für die Erforschung von Orbitaltrümmern tätig war. Im Laufe dieser Zeit wurde das von ihm vorhergesagte Szenario als Kessler-Syndrom .
Kessler hat vor kurzem ein neues Papier veröffentlicht Er verifizierte, dass seine Vorhersagen von 1978 ungefähr richtig waren, und verglich sie mit der Weltraumumgebung von heute. Sein Fazit: Wir stehen vor einem ernsten Problem. Wenn wir die aktuelle Population von Raumfahrzeugen im Orbit beibehalten, ohne etwas anderes hinzuzufügen, würde allein das Ergebnis zufälliger Kollisionen schneller Trümmer produzieren, als der atmosphärische Widerstand die niedrige Erdumlaufbahn beseitigen könnte, sagt er. Seine Empfehlung: Es ist an der Zeit, die größten Trümmerobjekte aktiv vom Himmel zu entfernen. Das Legend-Modell zeigt, dass selbst wenn wir mit allen einsatzfähigen Raumfahrzeugen erfolgreich Kollisionen vermeiden würden, dies kaum einen Unterschied im Ergebnis machen würde, weil es so viele Trümmer gibt, die man nicht manövrieren kann.
Die Botschaft des Models kommt endlich an. In seiner Nationalen Weltraumpolitik von 2010 wies Präsident Obama die NASA und das Verteidigungsministerium an, den Weltraum zu säubern, und stellte eine Charta zur Verfügung, um zu untersuchen, wie dies zu tun ist. Abhilfe sei der nächste Schritt, sagt Johnson. Eine erste Finanzierung der Weltraumsäuberungsmaßnahmen wird für 2011 erwartet.