Neue Laserstation unterstützt die Nachverfolgung von Weltraummüll

Von der Satellitenüberwachung bis zur Nachverfolgung von Trümmerobjekten

Stellen Sie sich vor, dass Laser von der Erde aus in den Himmel gerichtet werden, um Satelliten und Weltraummüll aufzuspüren und deren Positionen und Flugbahnen zu messen, um folgenreiche Kollisionen zu verhindern. Tatsächlich sieht so bald der Alltag auf der neuen Izaña 1 (IZN-1) Station zur Laserentfernungsmessung der ESA auf Teneriffa, Spanien, aus.

Die von der ESA entwickelte und betriebene IZN-1-Station ist ein Prüfstand für zukünftige Technologien und wurde Mitte 2021 auf dem Teide-Observatorium installiert.

Die Station, das Teleskop und der Laser wurden mehrere Monate getestet bevor sie im Juli letzten Jahres in Betrieb genommen wurden. Seitdem ist der grüne Strahl aus gebündeltem Licht gen Himmel gerichtet, um aktive Satelliten zu erkennen, zu verfolgen und zu beobachten.

Derzeit arbeitet der Laser mit einer Leistung von 150 mW. Doch bald wird er aufgerüstet, um zusätzlich zu Satelliten auch Trümmerobjekte (Space Debris) dank eines noch viel stärkeren Infrarotlasers mit einer durchschnittlichen Leistung von 50 Watt verfolgen zu können.

„Derzeit können nur Satelliten, die mit Retroreflektoren ausgestattet sind, von der ESA-Station Izaña aus verfolgt werden. Diese machen nur einen Teil der Gesamtpopulation aus“, erklärt Clemens Heese, Leiter der ESA-Abteilung Optical Technologies.

„Die Station wird in den kommenden Jahren nachgerüstet, sodass wir auch bei weniger kooperationswilligen Zielen – vor allem bei Trümmerobjekten und älteren Satelliten ohne Retroreflektoren – dieselben wichtigen Entfernungsmessungen durchführen können.“

Die erste von vielen Stationen zur Laserentfernungsmessung in Europa

Zwar gibt es in ganz Europa Dutzende solcher Laser-Tracking-Stationen. Doch die Izaña-Station stellt mit ihrer Doppelfunktionalität ein Novum dar. Die von der deutschen Firma DiGOS gebaute, ferngesteuerte Izaña-Station kann auch für die optische Kommunikation genutzt werden und soll zu einem hochmodernen, völlig autonomen robotischen System werden. Sie wird die erste ihrer Art von hoffentlich vielen weltweit sein.

Mit einer Technologie, die in der Geschichte der bodengestützten Beobachtung von Weltraummüll relativ neu ist, kann die Station bislang unsichtbare, nicht mehr funktionierende Objekte im All aufspüren.

Als Teil des ESA-Programms für Weltraumsicherheit (Space Safety) unterstützt die Izaña-1-Station die Kollisionsvermeidung und bietet ein Testbett für neue nachhaltige Technologien wie die Laserimpulsübertragung und für die Koordination des Weltraumverkehrs.

Eine solche Satelliten- und Trümmerverfolgungskapazität in Europa könnte dazu beitragen, einen europäischen Katalog an Weltraumobjekten aufzubauen und zugänglich zu machen.

Laser im Weltraum. Ist das überhaupt sicher?

Aber was ist mit Vögeln, Flugzeugen und Astronaut*innen? Ist das Ausrichten von Lasern in den Himmel nicht mit einem inakzeptablen Risiko verbunden?

Letztendlich wird die IZN-1-Station eine Laserleistung von weniger als 100 Watt nutzen, was etwa einem Zwanzigstel der Leistung eines elektrischen Wasserkochers entspricht.

Die punktgenauen Lichtquellen geben kurze Lichtimpulse auf ihr Ziel ab und man kann durch Laufzeitmessung des rückgestreuten Lichts die Entfernung des Objekts bestimmen. Mithilfe mehrerer solcher Messungen können auch die Geschwindigkeit und die Umlaufbahn von Objekten mit Millimetergenauigkeit berechnet werden.

Obwohl derartige Laser die Zielobjekte nicht annähernd schneiden oder auch nur anstupsen, können sie empfindliche optische Instrumente auf Satelliten beschädigen. Und auch die Flugbahnen von Flugzeugen müssen berücksichtigt werden.

„Wenn Laser auf Flugzeuge treffen, können sie sehr gefährlich sein, da Pilotinnen und Piloten abgelenkt werden und im schlimmsten Fall die Kontrolle verlieren können“, erklärt Andrea di Mira, Ingenieur für Optoelektronik bei der ESA.

„Wir sind sehr, sehr vorsichtig, dass dies nicht passiert. Wir benutzen eine Reihe von Sensoren, die den Himmel nach Flugzeugen absuchen, um sicherzustellen, dass unsere Laser nicht einmal in deren Nähe kommen.“

Die Laser könnten auch Teleskope stören, die den Nachthimmel beobachten. Um dies zu verhindern, wurde vom Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) das Laser Traffic Control System (LTCS) eingeführt – ähnlich wie die IZN-1-Station Kollisionen zwischen Objekten in der Umlaufbahn verhindert, verhindert die LTCS-Software „Kollisionen“ zwischen Laserlicht und Beobachtungszonen. Außerdem können durch den Wechsel zu einer Infrarot-Laserfrequenz Störungen anderer Astronom*innen vermieden werden, da deren Teleskope für diesen Spektralbereich häufig „blind“ sind.

Ein wichtiger Schritt zur Kontrolle des Weltraumverkehrs

Die Ära des so genannten „New Space“ ist mittlerweile in vollem Gange. Es werden große Konstellationen in den Himmel gebracht, die aus Tausenden, manchmal Zehntausenden von Satelliten bestehen.

Die gegenwärtigen, kostspieligen Methoden zur Kollisionsvermeidung werden mit zunehmender Zahl von Raumfahrzeugen unbrauchbar, sodass die internationale Raumfahrtgemeinschaft eine Methode zur Kontrolle des Weltraumverkehrs festlegen muss.

Dazu ist eine präzise und schnelle Bestimmung der Position, der Geschwindigkeit und der Umlaufbahn von Weltraumobjekten unabdingbar, wobei die ESA-Station IZN-1 ein dringend benötigtes Testbett für die Entwicklung dieser Technologie bieten wird, die weitaus genauer ist als die derzeitigen Radarmethoden.

Fokus auf die Zukunft

In naher Zukunft wird die ESA-Station IZN-1 eine völlig autonome, hochproduktive Satelliten- und Objektverfolgungsstation sein. Außerdem soll das Konzept der „vernetzten Laserentfernungsmessung von Weltraummüll“ getestet werden, um einen Satellitenkatalog erstellen zu können.

Im Bereich „Optische Kommunikation“ wird die Station zusätzlich für den Empfang von Signalen mit einer sehr hohen Datenübertragungsrate von 10 Gigabit und mehr (entsprechend den internationalen Standards) von Satelliten in einer 400 km entfernten erdnahen Umlaufbahn aufgerüstet.

Izaña wird dann Teil eines geplanten europäischen optischen Nukleusnetzwerkes (Optical Nucleus Network) sein, dem ersten betriebsfähigen optischen Kommunikations-Bodenstationsdienst seiner Art, der der breiteren kommerziellen Raumfahrtgemeinschaft zur Verfügung gestellt werden wird.

Darüber hinaus bietet die Station die Möglichkeit, Technologien für den „Laser-Momentum-Transfer“ zu erproben und zu entwickeln, bei dem Laser Trümmerobjekte nicht nur anstrahlen, sondern sie ganz sanft in leicht veränderte neue Umlaufbahnen schieben, damit sie möglichen Kollisionen aus dem Weg gehen und sich von den verkehrsreichsten Umlaufbahnen fernhalten.

Mit der IZN-1-Station wird eine vielversprechende Zukunft nachhaltiger Technologien eingeleitet, die für eine verantwortungsvolle Zukunft im Orbit und darüber hinaus unerlässlich sind.

Moderne Infrastruktur schützen

Wir sind heute im Alltag sowohl im Weltraum als auch auf der Erde auf vernetzte Technologien angewiesen. Aber diese Infrastruktur und alle damit verbundenen Aspekte sind verwundbar.

Sonnenstürme können Stromnetze beschädigen, die Telekommunikation lahmlegen und Satelliten und die damit verbundenen wichtigen Dienste bedrohen. Da wir gleichzeitig immer mehr Satelliten in die Umlaufbahn bringen, erhöhen wir auch das Risiko, zunehmend mehr Trümmerobjekte zu erzeugen. Dadurch erhöht sich die Möglichkeit von Kollisionen für aktuelle und zukünftige Missionen erheblich: Unser Erfolg im Weltraum könnte uns zum Verhängnis werden.

Der neue „Protect-Accelerator“ soll im Rahmen der Zukunftsvision der ESA die Robustheit der Technologien sicherstellen, von denen unsere moderne Welt abhängt. Durch die Erkennung von und Vorwarnung vor herannahenden Sonnenstürmen können wir unsere Infrastruktur im Weltraum und auf dem Boden schützen. Durch die Förderung der nachhaltigen Nutzung der Umlaufbahnen um die Erde als endliche und begrenzte Ressource können wir sicherstellen, dass die Möglichkeiten des Weltraums auch für künftige Generationen zugänglich bleiben.