25. Mai 2020

Den Weltraum ohne Treibstoff reinigen

Unsere moderne und vernetzte Welt ist ohne Unterstützung von Satelliten aus dem All nicht mehr vorstellbar. Navigation, Rundfunk oder Mobilfunkkommunikation, die Erdbeobachtung für Wettervorhersagen sowie Katastrophenschutz sind nur einige Beispiele. Raumstationen, wie die ISS, werden für Forschungszwecke genutzt und viele kleinere Satelliten vermessen die Form unserer Erde oder liefern Daten zur Veränderung von Klima und Vegetation. Was passiert allerdings mit all den künstlichen Satelliten, wenn sie ausgedient haben? Hierfür gibt es bislang keine bezahlbaren Lösungen.

Das Kessler Syndrom – mehr und mehr Trümmerteile im Weltraum
Um die Bedürfnisse im Alltag, in der Forschung und der Industrie zu stillen, schossen Russland, die USA, die EU, China, Japan und weitere Nationen seit Ende der 1950er Jahre zahlreiche Satelliten in die Erdumlaufbahn. Nach einiger Zeit verlieren die künstlichen Trabanten jedoch ihren Auftrag. Sie haben ausgedient, werden deaktiviert. Bisher verblieben sie in der Regel weiterhin auf ihren Umlaufbahnen. Die Betreiber holten die Satelliten nicht zurück. So werden sie zum Weltraumschrott und stellen fortwährend eine Kollisionsgefahr dar.

Die meisten Satelliten befinden sich laut der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) im Bereich von ca. 800 km Höhe (im Bild der rot eingefärbte Bereich). Problematisch wird es dann, wenn sich Satelliten und Trümmerteile in der gleichen Umlaufbahn (= Orbit) aufhalten. Aktive Satelliten versuchen Kollisionen auszuweichen. Dies ist allerdings nicht immer möglich. 2009 beispielsweise kam es zur ersten Satellitenkollision innerhalb der Erdumlaufbahn.

Die entstehenden Trümmerteile solcher Zusammenstöße können zu weiteren Kollisionen führen – insbesondere zu solchen mit Satelliten. Ihre kinetische Energie vermag das größere Objekt stark zu beschädigen oder gar komplett zu zerstören. Es kommt zu einer kaskadenartigen Zunahme der Anzahl kleiner Objekte, was als Kessler-Syndrom bezeichnet wird. Forschungsstationen beobachten deshalb mehr als 10.000 Trümmerteile mit Radar und Teleskopen. Sie erhoffen sich dadurch, ein mögliches Aufeinandertreffen besser vorherzusagen. Nichtsdestotrotz soll es laut ESA rund sechs Millionen Objekte im erdnahen Orbit geben, die größer als ein Zentimeter sind.

Vor einer Kollision sind auch die Raumstation ISS oder einige Wettersatelliten nicht per se gefeit, denn sie liegen im erdnahen Orbit – die ISS beispielsweise in ca. 400 km Entfernung. Die Raumstation musste schon einige Male Trümmern ausweichen. 2015 etwa war es kritisch. Ein ausgedienter Wettersatellit steuerte auf die Messstation zu. Die Besatzung musste sicherheitshalber in die Sojus-Kapsel – ihr »Weltraum-Rettungsboot«, das sie zur Erde bringt – evakuiert werden bis die Gefahr gebannt war.

Bei der fortwährenden Zunahme an Weltraumschrott und neu hinzukommenden Flugkörpern wird es somit immer drängender, Lösungen zu finden, die abgeschaltete Satelliten aus dem Orbit entfernen. Erst seit kurzem werden dafür Möglichkeiten entwickelt. Mit zusätzlichen Triebwerken ausgestattet, können Satelliten in den sogenannten Friedhofsorbit befördert werden. Dieser liegt in über 36.000 km Höhe. Es gibt aber eine weitere, deutlich kostengünstigere Variante.

Die IKTS-Wissenschaftler entwickeln gemeinsam mit ihren Partnern TU Dresden, Universität Carlos III Madrid, Universität Padova, SENER und Advanced Thermal Devices im EU-geförderten Projekt »E.T. Pack« Antriebe, um die künstlichen Erdtrabanten, wenn sie ausgedient haben, aus ihrer Umlaufbahn zur Erde zurückzuholen, sodass sie bei ihrem Wiedereintritt in die Erdatmosphäre verglühen.

Keramik für den Weltraum: Low work function tether (LWT)
Damit Satelliten wieder in die Erdatmosphäre eintreten, müssen sie abgebremst werden und an Höhe verlieren. Hierfür Schubdüsen und Treibstoff zu verwenden, macht eine Mission erheblich teurer. Eine besondere Form des keramischen Werkstoffs Calciumaluminat kann die Kosten für den Wiedereintritt der Satelliten in die Erdatmosphäre deutlich senken.

Dafür brennen die IKTS-Wissenschaftler eine bestimmte Verbindung, nämlich 12 CaOž7 Al2O3, kurz C12A7, unter einer Wasserstoffatmosphäre bei ca. 1500 °C. Bei diesem Prozess entstehen Sauerstoffleerstellen im Kristallgitter. Auf ihnen sitzen schwach gebundene Elektronen. Die vorher weiße Keramik färbt sich schwarz. Es entsteht ein Elektrid namens C12A7:e. Das Elektrid kann relativ einfach Elektronen abgeben, denn es hat für sie eine geringe Austrittsarbeit (engl. low work function). Genau dieser Effekt lässt sich als Antrieb für Satelliten nutzen. Dafür wird eine mehrere Kilometer lange und einige Zentimeter breite Metallfolie mit C12A7:e beschichtet und als Rolle aufgespult am Satelliten befestigt. Am Ende seiner Lebensdauer wird dieses Band (engl. tether) abgerollt. Das keramikbeschichtete Metallband bremst den Satelliten auf physikalische Weise durch den elektrodynamischen Effekt.

Im niedrigen Erdorbit (in ca. 200 – 2.000 km Entfernung) sind Satelliten von Plasma umgeben. Im Plasma befinden sich ebenfalls freie Elektronen. Die Wissenschaftler konstruieren nun das abgerollte Band, namens LWT (engl. low work function tether; Link: mp4 Video, 50 MB), so, dass es einerseits in einem Segment Elektronen aus dem Plasma aufnimmt. Andererseits gibt es an einer anderen Stelle durch thermionische oder fotoelektrische Emissionen wieder Elektronen ab. Dadurch entsteht im Band ein elektrischer Strom. In Verbindung mit dem Erdmagnetfeld und der Flugrichtung des Satelliten resultiert daraus eine Lorentzkraft, welche den Satelliten permanent in Richtung Erde zieht. Ohne den Einsatz von zusätzlichem Treibstoff oder Stromquellen wie Batterien oder Solarpanels lassen sich so nach ersten Simulationen Satelliten bis 700 kg Masse in weniger als zwei Jahren aus ihrer Umlaufbahn entfernen.

LWTs im truster mode
Ein zweiter Betriebsmodus von LWTs ist der sogenannte Schubmodus (engl. truster mode). In diesem aktiven Modus können Satelliten in eine höhere Umlaufbahn gehoben oder unbegrenzt ohne den enormen Treibstoffverbrauch in ihrer Position gehalten werden. Wie funktioniert das? Im LWT wird über Solarpanels aktiv ein elektrischer Strom erzeugt, wodurch die resultierende Lorenzkraft den Satellit in Richtung »Weltraumfriedhof« schiebt.

Nachhaltigkeit im Weltraum
Die Forschungsarbeiten im Projekt E.T. Pack werden noch bis im Frühjahr 2022 andauern. Die Weiterentwicklung der LWTs eröffnet neue Horizonte in Wissenschaft und Technik. Sie können dabei helfen, den Treibstoffverbrauch von Raumfahrtobjekten zu reduzieren und neuaufkommender Satellitenschrott zu vermeiden. Welche Aussichten damit wohl für die Weltraumforschung verbunden sind?!  

Zur Projekthomepage (in Englisch) geht’s hier! Hier gelangen Sie zum Originalbeitrag im IKTS-Blog an.

Foto ©ESA: Vorkommen von Trümmerteilen an den Polen (links ohne, rechts mit Weltraumschrott).

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