Das Ausräumen in der Nähe des Weltraums ist viel schwieriger, als es auf den ersten Blick erscheint
Das Problem der Weltraumverschmutzung beschäftigt die gesamte Luft- und Raumfahrtgemeinschaft. Solche hypothetischen Entwicklungen im erdnahen Orbit, wie das Kessler-Syndrom, das die unkontrollierte Entstehung von Weltraumschrott vorhersagt, haben sogar die populären Medien aufgewühlt. Es ist klar, dass Grundlagenforschung nötig ist, um zu verstehen, welche Gefahr selbst ein kleines Fragment birgt und um zu berechnen, wie viel wir bereit sind, für die Säuberung des Weltraums zu zahlen.
Politiker, Wissenschaftler, Techniker und die breite Öffentlichkeit sind sich heute der Verbreitung von Weltraummüll zutiefst bewusst. Dank der grundlegenden Arbeit von J-K. Liouville und Nicholas Johnson, veröffentlicht im Jahr 2006, gehen wir davon aus, dass die Trümmerrate in Zukunft wahrscheinlich weiter steigen wird, selbst wenn alle Starts gestoppt werden. Der Grund für dieses anhaltende Wachstum sind die zu erwartenden Kollisionen zwischen Satelliten und Raketenstufen, die sich bereits im Orbit befinden. Dies ist für viele Satellitenbetreiber von großer Bedeutung, da sie gezwungen sind, geeignete Maßnahmen zum Schutz ihrer Vermögenswerte zu ergreifen.
Einige Experten glauben, dass diese Vorfälle nur der Anfang einer Reihe von Kollisionen sein werden, die es fast unmöglich machen, in eine niedrige Erdumlaufbahn zu gelangen. Dieses Phänomen, das erstmals von NASA-Berater Donald Kessler ausführlich beschrieben wurde, wird allgemein als Kessler-Syndrom bezeichnet. Aber die Realität wird sich wahrscheinlich stark von ähnlichen Vorhersagen oder Ereignissen unterscheiden, die im Spielfilm "Gravity" gezeigt werden. Tatsächlich zeigten die dem Inter-Agency Space Debris Coordination Committee (IADC) auf der sechsten europäischen Konferenz zu diesem Thema vorgelegten Ergebnisse eine erwartete Zunahme der Trümmer von nur 30 Prozent über 200 Jahre bei kontinuierlichen Starts.
Es wird immer noch zu Kollisionen kommen, aber die Realität wird weit von dem katastrophalen Szenario entfernt sein, das manche befürchten. Das Wachstum des Weltraummülls kann auf ein recht bescheidenes Maß reduziert werden. Der IADC-Vorschlag sieht eine weite Verbreitung und strikte Einhaltung der Richtlinien zur Minderung von Weltraummüll vor, insbesondere im Hinblick auf die Neutralisierung von Energiequellen, die bis zum Ende des Fluges vollständig erschlossen sein sollen, und die Entsorgung nach dem Ende des Fluges. Dennoch erfordert die erwartete Zunahme des Abfallaufkommens aus Sicht der IADC trotz der anhaltenden Bemühungen noch die Einführung zusätzlicher Maßnahmen zur Bekämpfung der bestehenden Risikofaktoren.
Keine Fortschritte?
Neun Jahre nach der Veröffentlichung der Arbeit von Liouville und Johnson wurde ein erhebliches Interesse an der Rückgewinnung der Weltraumumgebung festgestellt. Insbesondere wurden weltweit Schritte unternommen, um Methoden zum Entfernen von Objekten aus einer niedrigen Erdumlaufbahn zu entwickeln. Die Europäische Weltraumorganisation zum Beispiel hat kürzlich ihre Absicht bekannt gegeben, sich staatliche Unterstützung für den Start eines europäischen Raumfahrzeugs im nächsten Jahrzehnt zu sichern. Die Agentur hat zahlreiche Studien durchgeführt, um rationale und zuverlässige Wege zu finden, um das Ziel zu erreichen. Ein Schlüsselelement der Planung waren Computermodelle des Trümmerraums, die zeigten, dass das Wachstum von Trümmern durch das Entfernen bestimmter Raumfahrzeug- oder Raketenstufen verhindert werden konnte. In Computersimulationen werden diese Objekte als die anfälligsten für Kollisionen identifiziert. Nachdem sie aus der Umlaufbahn entfernt wurden, sollte die Anzahl der Kollisionen stark abnehmen, wodurch das Auftreten neuer Trümmer durch die Streuung von Trümmern verhindert wird.
Fast zehn Jahre sind seit der Veröffentlichung der Arbeiten von Liouville und Johnson vergangen, und es überrascht, dass es auf internationaler oder nationaler Ebene keine methodischen Prinzipien gibt, die Maßnahmen zur Beseitigung der Folgen der Verschmutzung des erdnahen Raums klar definieren. Trotz Aufforderungen zum Handeln scheint es eine gewisse Apathie zu geben, ein Verfahren zur Abfallentsorgung zu entwickeln. Aber ist es wirklich so?
Tatsächlich ist die Situation nicht so einfach, wie es scheint. Im Hinblick auf das Verfahren zur Entfernung von Weltraummüll gibt es einige grundlegende Fragen, die noch beantwortet werden müssen. Besonders besorgniserregend sind Fragen im Zusammenhang mit Eigentum, Rechenschaftspflicht und Transparenz. Zum Beispiel können viele der zur Trümmerbeseitigung angebotenen Technologien auch verwendet werden, um ein aktives Raumfahrzeug zu entfernen oder zu deaktivieren. Daher ist mit Vorwürfen zu rechnen, dass es sich bei diesen Technologien um Waffen handelt. Es gibt auch Fragen zu den Kosten einer konsequenten Müllentsorgung. Einige Techniker haben es auf mehrere Billionen Dollar geschätzt.
Der vielleicht wichtigste Grund für das Fehlen angemessener methodischer Prinzipien liegt jedoch darin, dass wir noch nicht wissen, wie die Reklamation durchzuführen ist, womit wir in der Praxis die Reinigung des Weltraums meinen. Das heißt aber nicht, dass wir nicht wissen, welche Technologien wir brauchen.
Algorithmen zur einmaligen Verwendung sind bereits praktisch entwickelt. Das eigentliche Problem ergibt sich aus einer scheinbar einfachen Aufgabe: die "richtigen" Trümmer zu bestimmen, die aus der Umlaufbahn entfernt werden sollen. Und solange wir dieses Problem nicht lösen können, scheint es, dass wir nicht in der Lage sein werden, Platz zurückzugewinnen.
Wrack spielen
Um die Problematik der Lösung einer scheinbar einfachen Aufgabe wie der Identifizierung von zu entfernendem Müll zu erkennen, verwenden wir die Analogie eines Spiels mit einem Stapel von 52 normalen Spielkarten. In dieser Analogie stellt jede Karte ein Objekt im Weltraum dar, das wir möglicherweise entfernen möchten, um eine Kollision zu verhindern. Nachdem die Karten ausgeteilt wurden, legen wir jede Karte einzeln verdeckt auf den Tisch. Unser Ziel ist es nun, die Asse zu identifizieren und vom Tisch zu entfernen, da diese Karten Satelliten oder andere große Weltraumschrottobjekte darstellen, die irgendwann in der Zukunft an der Kollision beteiligt sein könnten. Wir können beliebig viele Karten vom Tisch entfernen, aber jedes Mal, wenn wir eine Karte entfernen, müssen wir 10 US-Dollar bezahlen. Außerdem haben wir bei unserer Entfernung kein Recht, auf die Karte zu schauen (wenn ein Satellit aus der Umlaufbahn entfernt wird, können wir nicht mit Sicherheit sagen, was genau er an der Kollision teilnehmen könnte). Schließlich müssen wir 100 US-Dollar für jedes verbleibende Ass zahlen, was die potenziellen Verluste darstellt, die durch Kollisionen mit unseren Satelliten entstehen (in Wirklichkeit können die Kosten für den Austausch eines Satelliten zwischen 100.000 und 2 Milliarden US-Dollar liegen).
Nun, wie können wir dieses Problem lösen? Auf der Rückseite sind alle Karten gleich, daher gibt es keine Möglichkeit zu sagen, wo die Asse sind, und der einzige Weg, um sicherzustellen, dass wir alle Asse gelöscht haben, besteht darin, alle Karten vom Tisch zu entfernen. In unserem Beispiel kostet dies maximal 520 US-Dollar. Im Weltraum stehen wir vor dem gleichen Problem: Wir wissen nicht genau, welche Objekte an Kollisionen beteiligt sein können, aber es ist zu teuer, alle zu entfernen, also müssen wir uns entscheiden. Nehmen wir an, wir haben eine Wahl getroffen: Um eine Karte im Wert von 10 $ zu entfernen, wie hoch ist die Wahrscheinlichkeit, dass wir ein Ass entfernt haben? Nun, die Wahrscheinlichkeit, dass die Karte ein Ass ist, ist vier durch 52 teilbar, also ungefähr 0, 08 oder 8 Prozent. Somit beträgt die Wahrscheinlichkeit, dass die Karte kein Ass ist, 92 Prozent. Dies ist die Wahrscheinlichkeit, dass wir unsere 10 US-Dollar verschwendet haben.
Was passiert, wenn wir diesmal eine zweite Karte nehmen (die uns weitere 10 US-Dollar kostet)? Die Wahrscheinlichkeit, dass die zweite Karte ein Ass ist, hängt davon ab, ob die erste Karte ein Ass war. Wenn dies der Fall wäre, dann ist die Wahrscheinlichkeit, dass die zweite Karte ebenfalls ein Ass ist, drei geteilt durch 51 (da jetzt nur noch drei Asse im Deck sind, was um eine Karte gesunken ist). Wenn die erste Karte kein Ass ist, dann ist die Wahrscheinlichkeit, dass die zweite Karte ein Ass ist, vier geteilt durch 51 (da es noch vier Asse im kleineren Deck gibt).
Wir können diese Methode verwenden, um die Wahrscheinlichkeit zu bestimmen, dass wir beide Asse entfernt haben - wir multiplizieren einfach die Wahrscheinlichkeiten, um die Antwort zu finden: 4/52 mal 3/51, was uns eine Wahrscheinlichkeit von 0,0045 oder 0,45 Prozent im Wert von 20 USD pro zwei Karten ergibt ENTFERNT. Nicht sehr ermutigend.
Wir können jedoch auch die Wahrscheinlichkeit bestimmen, mindestens eines der Asse zu entfernen. Nachdem wir zwei Karten gezogen haben, besteht eine Chance von 15 Prozent, dass wir mindestens eines der Asse erfolgreich entfernt haben. Das klingt vielversprechender, aber die Chancen stehen jetzt auch nicht sehr gut.
Es stellt sich heraus, dass wir mehr als neun Karten (im Wert von 90 US-Dollar) oder mehr als 22 Karten (im Wert von 220 US-Dollar) entfernen müssen, um die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, mindestens eines der Asse zu ziehen, wenn wir zu 90 Prozent sicher sein wollen dass wir eines der Asse entfernt haben. Selbst wenn uns das gelingt, liegen noch drei Asse auf dem Tisch, insgesamt müssen wir also noch 520 Dollar zahlen, was zufällig der gleiche Betrag ist, den wir zahlen müssten, wenn wir die Option mit dem Entfernen aller Karten gewählt hätten.
Die Spiele sind vorbei
Wenn wir von unserer Analogie zurück zur realen Weltraumumgebung zurückkehren, scheint die Situation alarmierender zu sein. Derzeit werden etwa 20.000 Objekte im Orbit mit dem US-amerikanischen Netzwerk von Weltraumbeobachtungsstationen verfolgt, wobei etwa sechs Prozent dieser Objekte mehr als eine Tonne wiegen, die hypothetisch an einer Kollision teilnehmen könnten und die wir möglicherweise entfernen möchten. … In der Kartenanalogie besteht unser Problem darin, dass die Rückseite aller Karten gleich ist und die Wahrscheinlichkeit, dass eine ein Pik-Ass ist, gleich der Wahrscheinlichkeit ist, dass die andere ebenfalls ein Ass ist. Es gibt keine Möglichkeit, die gewünschten Karten zu identifizieren und vom Tisch zu entfernen. In Wirklichkeit sind unsere Chancen, eine Kollision zu vermeiden, viel höher als bei einem Kartenspiel, da wir im Orbit die Wahrscheinlichkeit sehen, dass einige Objekte an Kollisionen beteiligt sind, und unsere Aufmerksamkeit auf sie richten können. Beispielsweise sind Objekte, die sich in dicht besiedelten Umlaufbahnen wie heliosynchronen in Höhen zwischen 600 und 900 Kilometern befinden, aufgrund von Staus in dieser Zone am wahrscheinlichsten in Kollisionen verwickelt. Wenn wir unsere Aufmerksamkeit auf ähnliche Objekte (und andere auf ähnlich überfüllte Bahnen) richten und die Vorhersagen über die Möglichkeit ihrer Kollision berücksichtigen, stellt sich heraus, dass wir etwa 50 Objekte entfernen müssen, um die erwartete Anzahl katastrophaler Kollisionen um. zu reduzieren nur eine Einheit, die sich aus den Forschungsergebnissen von Mitgliedern der IADC-Weltraumbehörde ergibt.
Und es stellt sich heraus, dass selbst wenn mehrere Objekte mit einem einzigen saubereren Raumfahrzeug entfernt werden können (und fünf Ziele eine vielseitige Alternative zu sein scheinen), viele Flüge - oft herausfordernd und ehrgeizig - nur unternommen werden müssen, um eine Kollision zu verhindern.
Warum sind wir nicht in der Lage, die Wahrscheinlichkeit von Kollisionen genauer vorherzusagen und nur die Objekte zu entfernen, von denen wir wissen, dass sie gefährlich sind? Es gibt viele Parameter, die die Flugbahn eines Satelliten beeinflussen können, einschließlich der Ausrichtung des Satelliten, sei es durch unregelmäßige Bewegungen oder Weltraumwetter (das den Luftwiderstand von Satelliten beeinflussen kann). Bereits kleine Fehler in den Anfangswerten können nach relativ kurzer Zeit zu großen Abweichungen in den Ergebnissen der Berechnung der Position des Satelliten im Vergleich zur Realität führen. Tatsächlich verwenden wir die gleiche Technik wie Prognostiker: Wir verwenden Modelle, um die Wahrscheinlichkeit bestimmter Ergebnisse zu generieren, aber nicht die Tatsache, dass diese Ergebnisse jemals erzielt werden.
Damit verfügen wir über Technologien, die gelegentlich zur Entfernung von Weltraummüll eingesetzt werden können. Diese Position vertritt die Europäische Weltraumorganisation mit ihrer geplanten Mission e. Deorbit, aber es gibt noch Probleme, die gelöst werden müssen, um die am besten geeigneten Objekte für die Entfernung zu identifizieren. Diese Probleme müssen angegangen werden, bevor die erforderlichen Leitlinien und methodischen Grundsätze denjenigen zur Verfügung gestellt werden können, die an der Vorbereitung eines langfristigen Programms zur Beseitigung von Weltraummüll interessiert sind, das für eine wirksame Umweltsanierung unerlässlich ist.
Methodische Grundsätze in Bezug auf spezifische Standorte, ihre Anzahl, Anforderungen und Einschränkungen sind unerlässlich, um die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, dass Bemühungen zur Umweltsanierung wirksam und lohnenswert sind. Um solche methodischen Prinzipien zu entwickeln, müssen wir unsere unvernünftigen Erwartungen an ein günstiges Ergebnis überdenken.