Das All braucht eine Müllabfuhr

Vermeidung von eltraumschrott

Um zu vermeiden, dass Weltraummüll (space debris) weiter unkontrolliert und ungehemmt zunimmt, arbeiten seit fast 30 Jahren Raumfahrtagenturen der ganzen Welt im Inter-Agency Space Debris Coordination Committee (IADC) zusammen. In diesem Gremium werden neben gemeinsamen Forschungsprojekten auch Maßnahmen zur Vermeidung von Weltraumschrott entwickelt und festgelegt. Zuletzt hat das IADC 2021 unter Vorsitz der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR diese Richtlinien aktualisiert. Auch die Vereinten Nationen haben, basierend auf den Empfehlungen des IADC, im Jahr 2007 Richtlinien zur Vermeidung von Weltraummüll angenommen.

Diese Maßnahmen umfassen die Begrenzung der Zahl der Objekte, die im Erdorbit freigesetzt werden, die Verhinderung von möglichen Explosionen im Orbit und eine Begrenzung der Verweildauer von Raumfahrzeugen in besonders schützenswerten Orbit-Regionen. Letzteres kann durch das Verglühen in der Erd­atmosphäre im niedrigen Erdorbit innerhalb von 25 Jahren oder – für geostationäre Satelliten in rund 36 000 Kilometern Höhe – durch das Verbringen in einen sogenannten Friedhofs-Orbit geschehen. Anti­satellitentests, wie jüngst der Abschuss eines russischen Satelliten, stehen zu all dem im starken Gegensatz.

Insgesamt sind über 500 mehr oder minder große Zerlegungen oder Anomalien von Satelliten und Raketenoberstufen bekannt, die zu zusätzlichem Weltraummüll geführt haben. Grund kann die Selbstentzündung von Treibstoffen oder das Bersten von Batterien sein, aber eben auch Kollisionen mit anderen Objekten. Solche Ereignisse machen zahlenmäßig den größten Beitrag der erfassten Objekte im Erdorbit aus. Dies verdeutlicht, wie wichtig die Einhaltung der Vermeidungsmaßnahmen ist und weiter sein wird. Leider bleibt jedoch weltweit die Erfolgsquote bei der Einhaltung dieser Maßnahmen noch deutlich hinter dem erforderlichen Umfang zurück.

Langzeitsimulationen zeigen zudem, dass Kollisionen inaktiver Satelliten und Raketenoberstufen mit Weltraumschrott zunehmen werden. Aufgrund der sehr hohen relativen Geschwindigkeiten in den niedrigen Erdumlaufbahnen wird bei einer Kollision eines Satelliten mit einem nur etwa handballgroßen Fragment bereits so viel Energie freigesetzt, dass der Satellit vollständig zertrümmert wird und Tausende neuer Trümmer entstehen, die selbst wiederum eine nächste solcher katastrophalen Kollisionen auslösen können. Ein solches kaskadenartiges Anwachsen der Trümmer, häufig nach einem früheren Wissenschaftler der US-Raumfahrtbehörde NASA „Kessler Effekt“ genannt, würde zu einem unkontrollierten Anwachsen der Trümmer im Erdorbit führen. Dagegen kann letztlich nur das aktive Entfernen einzelner Hochrisiko-Objekte aus dem Erdorbit helfen.

Wiederverwertbare Raketen tragen übrigens nicht zur nachhaltigen Nutzung der Raumfahrt bei, zumindest nicht im Sinne der hier gebrauchten Definition. Nur die erste Stufe der Rakete kehrt zur Erdoberfläche zurück und wird für einen Start wiederverwertet. Bei „klassischen“ Raketen fallen die ersten Stufen nach dem Abtrennen ins Meer und werden nicht geborgen. Die Raketenoberstufen erreichen aber auch bei wiederverwertbaren Raketen den Orbit und müssen dort entsorgt werden.

Haben bereits vor einigen Jahren Untersuchungen auf das weitere Anwachsen der Trümmerzahl hingewiesen, so verschärft ein neuer Trend das Problem weiter. Seit etwa einem Jahrzehnt zeichnet sich eine deutliche Trendwende in der Raumfahrt ab. Zunächst fällt auf, dass die Anzahl der Raketenstarts pro Jahr nach einem Tief Mitte der 2000er Jahre wieder kontinuierlich steigt und 2021 mit 135 Starts einen neuen Höchstwert auf dem Niveau des Kalten Krieges erreicht hat.

Mehr Starts, kleinere Satelliten

Bedeutender für den ansteigenden Verkehr im niedrigen Erdorbit ist aber, dass immer mehr Satelliten pro einzelnem Raketenstart in den Erdorbit transportiert werden. Möglich wurde dies nicht zuletzt durch deutlich günstigere Satellitenbauteile. Was einmal als Idee für Kleinst­satelliten begann, die im universitären Umfeld zu Ausbildungszwecken entwickelt wurden, ist längst ein beliebter Standard auch für kommerzielle Anwendungen geworden und hat die Entwicklung kleiner, kostengünstiger Satelliten allgemein befördert. So lassen sich mit einem Raketenstart Dutzende dieser kleinen Satelliten in den Erdorbit bringen. Die US-­Firma SpaceX kann mit jedem Start 60 ihrer Starlink-Satelliten in den Orbit befördern; sie hat bereits mehr als 2000 von ihnen ins All gebracht. Sollte auch nur ein Teil der weiteren weltweit angekündigten Satellitenkonstellationen im niedrigen Erdorbit realisiert werden, würde die Zahl aktiver Satelliten in wenigen Jahren dieselbe Größenordnung erreichen, die heute die gesamte Menge der erfassten und katalogisierten Trümmerteile ausmacht – und damit in die Zehntausende gehen.

In der wissenschaftlichen Community warf dieser Trend bereits frühzeitig Fragen nach den möglichen Folgen auf. So wurden die Simulationen zur Entwicklung der Weltraummüll-Umgebung, die schon das wahrscheinliche Einsetzen des Kessler-Effekts gezeigt hatten, unter den neuen Vorzeichen wiederholt. Diese auch im Rahmen des IADC koordinierten Untersuchungen konnten zeigen, dass auch große Konstellationen prinzipiell ohne größere nachteilige Folgen für die Weltraumschrott-Umgebung betrieben werden können. Dies setzt aber voraus, dass die Satelliten über die gesamte Zeitspanne ihrer Mission aktiv Kollisionen vermeiden und am Ende ihrer Lebensdauer mit sehr hoher Zuverlässigkeit gemäß der Vermeidungsmaßnahmen entsorgt, das heißt in der Erdatmosphäre zum Verglühen gebracht werden. Eine Reduzierung der Verweildauer im Erdorbit auf weniger als 25 Jahre hat ebenfalls einen positiven Effekt und ist wünschenswert, hat jedoch für die langfristige Entwicklung einen weniger wichtigen Einfluss. Im Sinne der Ressourcennutzung ist die Entsorgung in der Erdatmosphäre nach einer nur relativ kurzen Betriebsdauer natürlich nicht sehr nachhaltig, aber zum Schutz des Erdorbits unerlässlich. Auch mögliche Effekte auf die obere Erdatmosphäre sind bisher noch nicht genügend erforscht worden.

International fehlt derzeit noch ein Verständnis darüber, wie genau man die Nachhaltigkeit bemessen kann. Zwei Ansätze werden verfolgt: Zum einen werden Methoden untersucht, einzelnen Missionen oder ganzen Konstellationen eine Wertung zuzuordnen, ähnlich wie man heute ein Energielabel auf jedem Elek­tronikgerät findet. Solche Label könnten dann auch eine Motivation für Betreiber darstellen, ihre Satelliten möglichst mit einem guten Rating zu versehen. Mindestens ebenso wichtig ist es aber auch, einen globalen, einfach messbaren Grenzwert formulieren zu können, vergleichbar dem 1,5°Grad-Ziel des Pariser Klimaabkommens für die globale Erderwärmung oder dem Ocean ­Health Index Scoring. Aktuell ist ein solches einheitliches Maß noch nicht definiert. Das IADC will in zwei Jahren einen Vorschlag dazu erarbeitet haben.

Space Traffic Management

Neben der Vermeidung von Weltraummüll wird die Koordinierung des Weltraum­verkehrs im Erdorbit wichtiger. Zum sicheren Einsatz ihrer Satelliten sind die Betreiber auf frühzeitige Warnungen vor möglichen Annäherungen von Weltraumschrott angewiesen, um Ausweichmanöver planen und ausführen zu können.

Deutschland hat mit dem ressortgemeinsam von der Deutschen Raumfahrt­agentur im DLR und dem Weltraumkommando der Bundeswehr betriebenen Weltraumlagezentrum in Uedem am Niederrhein eine eigene, zentrale Anlaufstelle zur Erstellung und Bewertung eines entsprechenden Lagebilds eingerichtet. Mit dem experimentellen Radarsystem ­GESTRA erlangt Deutschland auch erstmals die Fähigkeit zur eigenständigen Überwachung des niedrigen Erdorbits und bringt diese Fähigkeiten auf europäischer Ebene im EUSST (European Space Surveillance and Tracking)-Verbund mit ein.

Auch wenn die Möglichkeiten in Europa zur Detektion kleinerer Weltraumschrott-Teile noch begrenzt sind und auf absehbare Zeit nicht das Niveau der USA erreichen werden, ist die Ressourcen­bündelung durch die Zusammenarbeit europäischer Nationen im EUSST-Konsortium ein wichtiger Schritt, um die europäische Unabhängigkeit zu sichern. Die nächsten Schritte, durch leistungsfähigere Radartechnik bessere Daten zu gewinnen, sind in Deutschland bereits angestoßen.

Mit Warnungen vor möglichen Annäherungen kann ein Betreiber durch eigene Manöverplanung das Risiko einer Kolli­sion mit einem passiven, nicht manövrierbaren Objekt verringern. Doch mit der erwarteten, extrem anwachsenden Zahl an aktiven Satelliten in denselben Orbitregionen werden mehr und mehr solcher Annäherungen zwischen aktiv gesteuerten Satelliten stattfinden. Dies bedarf folglich einer Absprache und Koordinierung der involvierten Betreiber, wofür es heute noch keine etablierten Verfahren oder Standards gibt. Ebenso gibt es keine Vorfahrts- oder Verkehrsregeln, auf die man sich beziehen könnte.

Es ist absehbar, dass Manöver im Erd­orbit nicht mehr nur bilateral koordiniert werden können, sondern ein internationales, regelbasiertes „Space Traffic Management“ (STM)-System etabliert werden muss. Folgende Eckpunkte für ein solches STM sind dabei unabdingbar: Man braucht möglichst genaue und vollständige Informationen über die Verkehrs­situation im Erdorbit. Europa hat mit dem EUSST-Konsortium unter Beteiligung Deutschlands eine wichtige Fähigkeit aufgebaut, zu einem solchen STM beizutragen. Ebenso ist es erforderlich, den Daten- und Informationsaustausch über möglichst inter­national standardisierte Verfahren zu regeln.

Die USA haben im Jahr 2018 mit der ­Space Policy Directive 3 ihre Vorstellung von einem Space Traffic Management bereits formuliert. Diese beinhaltet unter anderem den Transfer der Zuständigkeit für die öffentliche Nutzbarmachung von ­Weltraumlage-Informationen aus dem Bereich des Verteidigungsministeriums hin zum US-Handelsministerium (DoC) – verbunden mit einem Aufruf zur Stärkung auch des kommerziellen Führungsanspruchs der USA. Bis heute ist diese Maßnahme auf staatlicher Seite jedoch noch nicht mit signifikanten Investitionen zum Aufbau der nötigen technischen Infrastrukturen beim DoC hinterlegt.

In Europa hat unter der EU-Ratspräsidentschaft Deutschlands im zweiten Halbjahr 2020 ein Dialogprozess zu dem Thema STM begonnen, der unter anderem eine Europäische STM-Konferenz im Juli 2021 zur Folge hatte, auf der ein – nicht bindendes – Ergebnispapier zur „Stärkung eines europäischen Ansatzes für STM“ verabschiedet wurde. Auch die EU-Kommission sieht hier Handlungsbedarf.

Internationale Kooperation stärken

Auch bei den Vereinten Nationen ist Space Traffic Management ein Thema. Seit 2016 bietet der Rechtsunterausschuss des Weltraumausschusses (UNCOPUOS) eine Plattform zum Austausch über STM. Dieser internationale Dialog legt die zahlreichen technischen, rechtlichen und politischen Aspekte von STM und die vielfältigen Ideen der Mitgliedstaaten offen. So verdeutlicht er, welche Chancen und Herausforderungen die Entwicklung eines internationalen STM-Systems mit sich bringt. Parallel zur zwischenstaatlichen Ebene hat auch UN-­Generalsekretär António Guterres in seinem 2021 vorgestellten Zukunftsplan „Our Common Agenda“ angeregt, ein globales Regime zur Koordinierung des Weltraumverkehrs zu entwickeln. In einem Prozess, der Regierungen und weitere führende Weltraum­akteure zusammenbringen wird, soll ein Dialog zu einer hochrangigen politischen Einigung über die friedliche, sichere und nachhaltige Nutzung des Weltraums bei einem für 2023 geplanten „Summit for the Future“ führen.

Neben der umfassenden, systematischen Erschließung eines STM-Systems hat der UNCOPUOS in den vergangenen Jahren auch einzelne praktische Maßnahmen entwickelt, um die Situation in den verschiedenen Erdorbits zu verbessern. Dazu hat seit 2010 eine Arbeitsgruppe ein Konzept der langfristigen Nachhaltigkeit von Weltraumaktivitäten entwickelt und 2019 insgesamt 21 Richtlinien verabschiedet. Diese „Long-term sustainability“ (LTS)-Richtlinien wenden sich an staatliche und private Raumfahrtakteure. Sie umfassen Empfehlungen für alle Phasen einer Raumfahrtmission einschließlich der Entwicklung, des Starts, des Betriebs und der Entsorgung eines Weltraumgegenstands. Sie erweitern die Inhalte der IADC-Richtlinien um Konzepte wie den verstärkten Informationsaustausch zwischen Weltraumlagestellen und bieten Empfehlungen für nationale Weltraumgesetze an. Außerdem adressieren sie die stärkere Bewusstseinsschaffung für Nachhaltigkeit bei Satellitenbetreibern und weiteren Raumfahrtakteuren und stellen damit einen ersten ganzheitlichen Ansatz zur Gewährung der langfristigen Nachhaltigkeit von Weltraumaktivitäten dar.

Die Verabschiedung der 21 LTS-Richtlinien im Konsens aller (mittlerweile mehr als 100) Mitgliedstaaten des UNCOPUOS war ein großer diplomatischer Erfolg und ein wichtiger Schritt in Richtung nachhaltige Nutzung des Weltraums. Den Mitgliedstaaten war damals allerdings bereits bewusst, dass dies nur ein Zwischenerfolg ist. Gleichzeitig haben sie einen Folgeprozess ins Leben gerufen, der einen Erfahrungsaustausch über die Umsetzung der Richtlinien ermöglichen und neue Herausforderungen an die langfristige Nachhaltigkeit von Weltraumaktivitäten betrachten soll, denn diese entwickeln sich ebenfalls rasant weiter. Nur zum Vergleich: Bei der Verabschiedung der LTS-Richtlinien waren lediglich die ersten 60 der heute 2000 Starlink-Satelliten gestartet. Große Konstellationen werden in den LTS-Richtlinien daher nur einmal und nur sehr abstrakt erwähnt.

Satellitenkonstellationen wirken durch ihren Aufbau nicht nur auf den Verkehr im All ein, sondern auch auf die erdbasierte Astronomie. Denn die Satelliten einer Konstellation werden vor ihrem Einsatz im Zielorbit zunächst in sehr niedrigen Umlaufbahnen für Funktionstests „geparkt“, was mit Blick auf die Vermeidung von Weltraumschrott durchaus sinnvoll ist. In diesen sehr frühen Betriebsphasen sind sie bereits mit bloßem Auge in der Dämmerung deutlich und hell am Himmel zu erkennen, wie Lichtpunkte an einer Perlenschnur aufgefädelt.

Doch was den Betrachter des Sternenhimmels hauptsächlich in den frühen Phasen kurz nach dem Start stören mag, ist für Astronomen mit ihren empfindlichen Teleskopen auch später ein Problem. Sowohl optische als auch radioastronomische Aufnahmen können durch die zahlreichen Spuren, die die Satelliten in den Aufnahmen der Astronomen hinterlassen, die wissenschaftliche Auswertung stark behindern. Auf Betreiben der International Astronomical Union wird nun der neue Tagesordnungspunkt „Dark & Quiet Skies“ im UNCOPUOS diskutiert. Die neue LTS-Arbeitsgruppe soll ab diesem Jahr ihre auf fünf Jahre ausgelegte Arbeit aufnehmen. Deren Ergebnisse können – neben den Arbeiten des IADC sowie den Diskussionen über ein internationales Space Traffic Management und weiteren Anstrengungen – einen wichtigen Beitrag zur Gewährleistung einer friedlichen, sicheren und nachhaltigen Weltraumnutzung leisten. Sie sind daher mit großen Erwartungen verbunden.

Was zu tun ist

Die Vermeidung von Weltraummüll, der Kern jeder Maßnahme zur nachhaltigen Nutzung des Weltraums, wird bereits seit vielen Jahren erforscht. Seit mehr als 20 Jahren gibt es international vereinbarte, jedoch nicht verbindliche Richtlinien zur Vermeidung.

Auch das Thema Space Traffic Management wird bereits seit Längerem diskutiert, sowohl technisch, rechtlich als auch politisch. Die rasanten Entwicklungen der kommerziellen Raumfahrt – gerade im niedrigen Erdorbit – haben dem Thema nun eine ganz neue Dynamik gegeben, die in den nächsten Jahren die Diskussion auf europäischer und internationaler Ebene weiter vorantreiben wird. In manchen Bereichen schafft sie bereits Realitäten.

Die bestehenden Governance-Strukturen sind zwar immer noch relevant, aber mit ihren Maßnahmen umfassen sie nicht mehr alle jüngeren Entwicklungen in der Raumfahrt. Aus diesem Grund müssen auch sie ergänzt und fortentwickelt werden. Wenn sich die Verkehrslage im Weltall so weiterentwickelt wie in den vergangenen Jahren, wird langfristig wohl nur ein internationales Space Traffic ­Management-System dazu in der Lage sein, den Nutzen der Raumfahrt für Wirtschaft und Gesellschaft zu sichern.      

Maximilian Betmann arbeitet in der UN-Abteilung der Raumfahrt­agentur im DLR und ist Mitglied der deutschen Delegation beim UN-Weltraumausschuss.

Dr. Manuel Metz leitet die Fachgruppe für Weltraummüll-­Forschung in der Abteilung Weltraumlage in der Raumfahrtagentur im DLR.