Fünf Fragen an Holger Krag, ESA | Five questions to Holger Krag, ESA
Zeit, für die Weltraum-Müllmänner?
Time for space dustmen?
[01|15] Heute werfen wir mal einen Blick nach oben – genau genommen in den Weltraum. Und stellen Holger Krag von der ESA (Europäische Weltraumagentur) fünf Fragen rund um Weltraumschrott und seine Folgen. Today we’re looking upwards – concrete into space. And we’re asking Holger Krag from ESA (European Space Agency) five questions about space debris and its consequences.
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Weltraummüll ist ja eine von vielen menschlichen Hinterlassenschaften. Haben die an Weltraummissionen beteiligten Nationen zu spät an die möglichen Probleme gedacht? Space debris is one of many human legacies – did the countries involved in space travel think too late about possible later problems?
Ja, in den Anfangstagen der Weltraumfahrt hat sich niemand Gedanken über die langfristige Präsenz von Objekten im Weltraum gemacht. Der Fokus lag darauf, Technologien für den sicheren Start der Raketen zu entwickeln. Natürlich fehlten auch Erfahrungen darüber, wie sich Materialien unter den harschen Bedingungen im Weltraum überhaupt verhalten. Heute ist bekannt, dass UV-Strahlen, Mikropartikel, der Tankinnendruck, aber auch Treibstoffrückstände in Verbindung mit den hohen Temperaturschwankungen, dazu beitragen können, den Weltraumschrott zusätzlich zu fragmentieren. Außerdem wissen wir auch, dass sich in Orbitbereichen, in denen die Atmosphäre einen geringen oder gar keinen selbstreinigenden Effekt entwickelt, Raumfahrtrückstände sammeln, was ein erhöhtes Kollisionsrisiko darstellt. Zusammenstöße ereignen sich ja in niedrigen Laufbahnen bei Geschwindigkeiten von im Schnitt 10km/s (36,000km/h), was zu zusätzlichen Kollisionsfragmenten führt. Yes, in the early days of spaceflight, nobody thought of the consequences of the long-term presences of objects in space. The focus was on the technology to safely launch systems. Also, naturally, there was a lack of experience in the behaviour of space hardware in the harsh space environment. Today we know that UV radiation, microparticles, internal pressure in tanks and residual fuel in combination with the severe changes in temperature due to passes through the Earth shadow can lead to break-up and fragment generation. Today, we know that orbit regions, in which the atmosphere has no or small cleansing effect, man-made objects tend to accumulate which generates a collision risk. Collisions occur with velocities of 10km/s (36,000km/h) on average in low orbits, which can lead to the generation of more collisions (so-called feedback collisions).
Woraus besteht der Weltraummüll und lassen sich die Mengen und Größen beziffern? Is it possible to quantify the amount of space debris? What is it made up of and how large is it in size?
Die auch als space debris bezeichneten Objekte bestehen sowohl aus Satelliten, die außer Betrieb sind als auch aus abgetrennten Raketenstufen (ca. 4.500 Stück). Weitere 1.000 Teile setzen sich aus Satelliten- und Triebwerksabdeckungen, -bolzen und -halterungen zusammen. Die ca. 10.500 verbleibenden Objekte sind kleinere Fragmente. Nur knapp 1.000 dieser insgesamt 17.000 größeren Teile sind funktionierende Satelliten. Natürlich besteht auch Grund zu der Annahme, dass es eine Vielzahl kleinerer Teile gibt, die nicht durch die Überwachungssysteme erkannt werden. Wir schätzen daher, dass darüber hinaus noch 700.000 Objekte um die 1 cm Größe und mehrere Millionen Kleinstteile (kleiner als 1 mm) im Orbit kreisen. The objects that are considered space debris are satellites that have spent their useful life and rocket stages in orbits (ca. 4,500), elements of satellites and rocket stages (like covers, bolts, clamps) released during operations (ca 1,000) and fragments (ca 10,500). Out of these 17,000 are tracked objects, only a minority of 1,000 are operational satellites. Of course there are reasons to assume that many objects are even smaller and thus invisible to the space surveillance system. We estimate 700,000 objects of sizes > 1cm to be in near Earth space and several millions of objects > 1mm. These include also other debris sources like coolant droplets from orbital reactors and aluminium oxyde slag and dust released by solid rocket motor as well as flakes of paint peeling off of space system surfaces.
Ist es denn möglich, einzelne Teile zu lokalisieren, um dadurch Zusammenstöße mit Raumschiffen zu vermeiden? Is it possible to locate individual parts? If so, how? And can they be avoided in flight?
Das US Überwachungs-Netzwerk, das vom strategischen US Kommando gesteuert wird, hat starke bodengestützte Radaranlagen und Teleskope, mit denen man knapp 17.000 von Menschenhand geschaffene Objekte beobachten kann. Einige davon werden mehrmals am Tag gesichtet und können gut lokalisiert werden. Die systembedingten Beschränkungen erlauben es erst Objekte von knapp zehn Zentimetern in mehreren hundert Kilometern Höhe auszumachen. Damit ermitteln wir daher nicht nur die Lage von Satelliten, sondern auch jede Menge Fragmente. The US Surveillance Network operated by the US Strategic Command uses powerful ground-based radar and telescopes to observe man-made objects in Earth-bound orbits. They are tracking currently 17,000 objects in space. Many of them are observed several times per day and they have accurate orbit information on them. The detection limit of this system is roughly 10cm size in several 100km altitude. hence, they do not only see large satellites, but even a lot of fragments.
Wie gefährlich ist Weltraumschrott für die Raumfahrt? How dangerous is space debris for space travel?
Alle bemannten Raumfahrzeuge sind manövrierfähig und können daher auch Ausweichmanöver fliegen. Die ISS ist außerdem mit einem Schutzschild ausgestattet, das Kollisionen mit Objekten von bis zu 1 cm Stand hält. Astronautenanzüge kommen mit umherfliegenden Teilen von bis zu 1 mm klar – aus nachvollziehbarem Grund sollten sie diesen aber nicht allzu lange ausgesetzt werden. Unterschiedliche Umlaufbahnen sind darüber hinaus in unterschiedlichem Maße von der Verschmutzung betroffen. Den höchsten Verschmutzungsgrad haben wir in einer Höhe von 900 bis 1.000 Kilometer. Also dort, wo die meisten Weltraumaktivitäten stattfinden, der selbstreinigende Effekt der Atmosphäre aber so gut aber wie nicht vorhanden ist. In diesen Höhen besteht eine erhöhte Kollisionsgefahr, weshalb wir glauben, dass es dort in Zukunft zu einer weiteren Segmentierung der Teile kommen wird. Damit wird es auch schwerer, diesen Bereich des Weltraums zu nutzen. Zusätzlich kann es außerdem sinnvoll sein, Schutzschilde einzusetzen oder andere Umlaufbahnen zu fliegen. Letzteres ist nicht ideal, um Erdbeobachtungen durchzuführen– in jedem Fall erhöhen sich damit aber die Kosten für die Raumfahrt. All manned objects (the ISS today) are manoeuverable and can perform avoidance manoeuvers in case. The ISS is also shielded against impactors of up to 1cm size. Astronaut suits shield to approx. 1mm size. It is recommended to reasonables reasons limit the duration of exposure. Different orbit altitudes are polluted to a different degree. We have a peek pollution at around 900-1000km where a lot of spaceflight occurs, but the cleansing effects of the atmosphere are practically non existent. The collision risk there is elevated and we believe that an inset of a cascading effect of collisions and feedback collisions might set in there one day. This would render this region more difficult to use. Shielding would have to applied or alternative orbit regions (not being ideal for Earth observation missions) need to be used – both of it generating higher costs for spaceflight.
Zeit also, für die Weltraum-Müllmänner? Oder: Wie wird man mit den Problemen fertig? Sind moderne Weltraummissionen so beschaffen, dass Weltraummüll schon heute und in Zukunft vermieden werden kann? Time for space dustmen? Or: How can this problem be dealt with? Are modern day space travel missions equipped so that space debris can be avoided now and in the future?
Der kostengünstigste Weg ist es natürlich, zusätzlichen Weltraummüll zu vermeiden und auf die Zeit und darauf zu vertrauen, dass die Erdatmosphäre den Müll abbremst und verglühen lässt. Mit einigen internationalen Partnern haben wir uns aber auf einige Müllvermeidungsmaßnahmen verständigt. Dazu gehören:
- Das Neutralisieren von Raumfahrt-Objekten nach der Mission. Das heißt, dass wir Resttreibstoff und Druck entweichen lassen, um die weitere Zerstückelung zu vermeiden.
- Die Beschränkung von Langzeitaufenthalten in bestimmten Regionen, um Zusammenstöße zu verhindern. Dazu zählt zum Beispiel der geostationäre Ring oder die Gegenden unterhalb von 2.000 Kilometer, da beide stark frequentiert sind.
- Wir versuchen das Freisetzen von Weltraummüll – Abdeckungen und Verbindungsstücke zum Beispiel – während der Einsätze zu vermeiden.
Die Kollisionsvermeidung gehört heute schon zu den Standards, doch nicht alle Missionen sind manövrierfähig. Viele der möglichen Teile können außerdem nicht umflogen werden, da sie von den Überwachungssystemen nicht entdeckt werden. So wird es zukünftig nötig sein, sowohl bemannte als auch unbemannte Raumschiffe mit einem Schutzschild auszustatten. The most cost efficient way is to avoid additional debris and then rely on time and the atmospheric drag to clean out space. we have formulated with international partners some debris mitigation measures the comprise:
- the passivation of space objects after the operation – i.e. release internal energy (fuel, pressure, etc …) to avoid break-ups.
- the limitation of long-term presence in populated regions in space to avoid collisions – like in the geostationary ring or the region below 2,000km, both being heavily used
- prevention of the release of debris during missions, like clamps and covers
Collision avoidance is already a standard practice today, however, not all missions are equipped with motors to do manoeuvers. Also many impactors cannot be avoided because they are too small to be seen by the surveillance systems. Shielding might be applied, thus, not only for manned objects but also for unmanned satellites in future.
Im Gespräch mit …/Speaking with … Holger Krag
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