Weltraumschrott

Der zunehmende Weltraumschrott stellt in der heutigen Zeit eine immer größer werdende Gefahr für aktive Satelliten dar.

Neben derzeit ca. 1000 aktiven Satelliten und mehr als 1000 alten, nicht mehr aktiven Satelliten befinden sich ca. 40000 mit Radar vermessene und mehr als 500000 Teile (Durchmesser <1 cm) in einer Umlaufbahn um unseren Planeten. Diese Schrottteilchen sind hauptsächlich  Oberstufen von alten Raketen, Teile von explodierenden Satelliten (verursacht durch alternde Akkumulatoren oder Treibstoffreste) oder Trümmer von Kollisionen. Je nach Abstand des Satelliten von der Erde können diese Teile sehr lang in einer Umlaufbahn verbleiben. Während zum Beispiel eine alte Raketenstufe in einer Höhe von 1000 km "schon" nach wenigen tausend Jahren in der Atmosphäre verglüht, wird ein alter Satellit in einem 6000-km-Orbit für die nächsten Millionen Jahre die Erde umrunden.

Die Grazer SLR-Station hat auf diesem Gebiet eine internationale Vorreiterstellung eingenommen und bechäftigt sich unter anderem mit den nachstehenden wissenschaftlichen Forschungsgebieten.

Bei der multistatischen Distanzmessung zu Weltraumschrott sendet die Grazer SLR-Station mit einem 20-Watt-Laser Photonen zu Weltraumschrott. Das ausgesendete Licht wird an diesem Laser diffus reflektiert und über Mitteleuropa verteilt. Die reflektierten Grazer Photonen können nun von anderen Stationen empfangen werden. In einem bislang einzigartigen Experiment sendete Graz mit einem grünen Laser und Wettzell in Deutschland mit einem infraroten Laser zugleich Photonen aus. Die von Graz ausgesendeten Photonen wurden von Graz und Wettzell empfangen, die von Wettzell ausgesendeten Photonen von Wettzell, Graz und Stuttgart. Die Datenanalyse von solchen gemeinsamen (multistatischen) Experimenten ergab eine signifikante Steigerung der Genauigkeit der Orbitvorhersagen von Weltraumschrott.

Bei Stare & Chase beobachtet ("stare") ein einfaches und kostengünstiges Kamerasystem mit einem Gesichtsfeld von ca. 10° einen beliebigen Ausschnitt des Nachthimmels. Dabei werden Sterne bis zur 9. Größenordnung dargestellt. Aus dem Sternenhintergrund wird die Richtung der Kamera in Himmelskoordinaten berechnet. Sobald sich ein von der Sonne beleuchteter Weltraumschrott durch das Gesichtsfeld der Kamera bewegt, wird dieser automatisch detektiert und seine Himmelskoordinaten werden bestimmt. Nur aus diesen Richtungsinformationen des Satelliten wird – ohne vorab vorhandenen Orbitvorhersagen – ein Orbit berechnet und damit direkt eine laserbasierte Distanzmessungen gestartet ("chase"). Der gesamte Prozess von der erstmaligen optischen Erfassung bis zur erfolgreichen Entfernungsmessung kann innerhalb weniger Minuten erfolgen.

Für die Bestimmung der Umdrehungsdauer und Drehachse von Weltraumschrott werden Lasermessungen und Lichtkurven miteinander kombiniert. Bei bekannter Geometrie der Retroreflektoren am Satelliten lassen sich aus den Laserdistanzmessungen genaue Informationen zu Spin und Drehachse ermitteln. Der Umweltsatellit Envisat besitzt beispielsweise eine Pyramide mit insgesamt 8 Retroreflektoren. Durch die Rotation des Satelliten nähern und entfernen sich die einzelnen Reflektoren periodisch. Aus diesen Entfernungsvariationen kann man Rückschlüsse auf die Orientierung und Umdrehungsdauer ziehen. Simultan zur Laserdistanzmessung im grünen Bereich des Spektrums wird das vom Satellit reflektierte Sonnenlicht genützt, um sogenannte Lichtkurven aufzunehmen. Diese spiegeln den Helligkeitsverlauf des Satelliten in Abhängigkeit von einer vollständigen Umdrehung (Phase) um die eigene Achse wider. Man kann dabei deutlich die Reflexionen von unterschiedlichen Teilen des Satelliten wie z.B. der Solarpaneele oder des zentralen Korpus erkennen.