zwei satelliten kollidieren

Analytical Graphics Inc. (www.agi.com)
Seit der Satellitenkollision am 10. Februar 2009 treiben mehr als
300 Bruchstücke entlang der ursprünglichen Bahnen von Iridium
33 und Kosmos 2251 im erdnahen Weltraum. Die beiden Satelliten
trafen sich annähernd im rechten Winkel mit einer Relativgeschwindigkeit von 11,5 Kilometern pro Sekunde. Diese Grafik wurde rechnerisch aus Daten des US-Weltraumüberwachung erzeugt.
Zwei Satelliten kollidieren
Am 10. Februar 2009 kam es zum ersten Mal in der Geschichte der Raumfahrt zu einem
größeren Verkehrsunfall. Das Ereignis zerstörte den US-Kommunikationssatelliten
Iridium 33 und den ausgedienten russischen Trabanten Kosmos 2251. Bei der Kollision
entstanden zwei Trümmerwolken, die sich nun um die Erde verteilen und die Anzahl
gefährlicher Weltraummüll-Objekte erhöhen.
W
enn eine Trümmerwolke im Welt-
Explosionen wurden mutwillig herbeige-
sich in 790 Kilometern Höhe um die Erde
raum entstanden ist, vermessen
führt, indem so genannte Killersatelliten
bewegt, ist jetzt somit einem um rund ein
erdgebundene Radarstationen die Um-
auf unterschiedlichen Umlaufbahnen ge-
Drittel höheren Partikelfluss ausgesetzt
laufbahnen der größeren Objekte, die in
testet wurden, und dabei Tausende von
als vor der Kollision (siehe Kasten rechts).
den Katalog des US Space Surveillance
Trümmerstücken erzeugten. Besonders
Dieses Risiko betrifft in ganzer Schärfe
Networks aufgenommen werden. Die
kritisch: Am 11. Januar 2007 zerstörte die
mehrere Erdbeobachtungssatelliten, wie
Bahnen der nicht mit dem Radar zu er-
Volksrepublik China einen ausgedienten
beispielsweise die europäischen Satel-
fassenden kleinen Trümmer lassen sich
Wettersatelliten mit einer Rakete und er-
liten ERS-2 und Envisat.
dagegen nur simulieren.
zeugte tausende Trümmerstücke.
Die Intensität der Kollision schleu-
Bei der Kollision der Satelliten Iridium
Kollisionen sind besonders gefähr-
derte einige Trümmer auf elliptische
33 und Kosmos 2251 am 10. Februar 2009
liche Fragmentationsereignisse, denn da-
Umlaufbahnen, deren erdfernste Punkte
betrug die Relativgeschwindigkeit rund
bei erhalten die entstehenden kleinen
sehr große Höhen erreichen. Allerdings
11,5 Kilometer pro Sekunde. Bei einem
Trümmer sehr hohe Zusatzgeschwindig-
betrifft dies nur verhältnismäßig we-
solchen Ereignis entstehen Tausende klei-
keiten. In der Folge verteilen sich die Ob-
nige Objekte. Ihr Beitrag zur dortigen
ner Trümmer, die für andere Satelliten ge-
jekte über viele verschiedene Bahnhö-
Trümmeranzahl ist daher gering (Kasten
fährlich sind. Mit Hilfe von numerischen
hen und stellen dort ein Risiko für ande-
rechts). Die meisten Trümmer werden
Fragmentationsmodellen lässt sich ab-
re Satelliten dar. Mit unseren Simulati-
sich in der Bahnhöhe befinden, in der sich
schätzen, wie viele kleine Trümmer nach
onsrechnungen möchten wir abschätzen,
die Satelliten vor der Kollision aufhielten.
einer Kollision entstanden sind und wie
wie viele zusätzliche Trümmer sich nun
Berechnet man die Verteilung des
sie sich in der Folge um die Erde verteilen.
vor­aussichtlich in den unterschiedlichen
Weltraummülls, so lässt sich daraus die
Auf diese Analysen hat sich das Institut
Bahnhöhen befinden.
Anzahl der Einschläge auf andere Satel-
für Luft- und Raumfahrtsysteme (ILR) der
TU Braunschweig spezialisiert.
Bisher gab es glücklicherweise erst we-
Welcher Anstieg der
Trümmerzahlen ist zu erwarten?
liten ableiten. Dies möchten wir beispielhaft für einen Satelliten auf einer sonnensynchronen Umlaufbahn in 800 Kilo-
nige Kollisionen zwischen größeren Ob-
Das vorläufige Ergebnis unserer Simula-
metern Höhe mit einer Bahnneigung von
jekten auf Erdumlaufbahnen. Den über-
tionsrechnung zeigt, dass die Anzahl der
98,5 Grad zum Erdäquator zeigen.
wiegenden Teil der Trümmer erzeugten
Trümmer in einer Bahnhöhe von 790 Ki-
Diese Umlaufbahnen werden von Erd-
etwa 220 Explosionen von Raumfahrzeu-
lometern besonders stark angestiegen ist.
beobachtungssatelliten genutzt, weil hier
gen seit dem Beginn der Raumfahrt im
Für das Jahr 2009 rechnen wir für Trüm-
die gesamte Erdoberfläche unter guten
Jahr 1957. Darunter befanden sich ausge-
mer größer als einen halben Zentimeter
Beleuchtungsbedingungen für die Bord-
brannte Raketenoberstufen, deren Rest-
durchschnittlich mit einer erhöhten An-
instrumente sichtbar ist. Zudem können
treibstoffe plötzlich explodierten. Andere
zahl von bis zu 30 Prozent. Ein Satellit, der
die Satelliten hier praktisch permanent
26
April 2009
Sterne und Weltraum
Sonnenlicht zur Energieerzeugung auf-
hin, dass der Partikelfluss überwiegend
fangen. Die Analyse zeigt, dass auf den
im Bereich der sehr hohen Differenzge-
Wie sicher sind die
Abschätzungen?
für diese Satelliten gebräuchlichen Um-
schwindigkeiten angestiegen ist (Kasten
Die Schätzung der Anzahl der durch die
laufbahnen mit merklich erhöhten Ein-
unten). Dies hängt damit zusammen, dass
Kollision zwischen Iridium 33 und Kos-
schlagraten pro Jahr und pro Quadratme-
aus der Sicht eines Satelliten auf einer po-
mos 2251 entstandenen Trümmer erfolgt
ter der Satellitenfläche zu rechnen ist.
larnahen, sonnensynchronen Bahn die
mit Hilfe von empirischen Modellen, die
Die Einschlaggeschwindigkeiten er-
meisten Trümmer von vorne einschla-
auf Erfahrungen mit bisherigen Fragmen-
reichen auf den sonnensynchronen Um-
gen, der Azimut ihrer Einschläge liegt bei
tationsereignissen beruhen. Einer der Mo-
laufbahnen sehr hohe Werte. Der größte
null Grad. Allerdings sind ebenso Trüm-
dellparameter ist die Anzahl der tatsäch-
Anteil der Trümmer schlägt mit circa 15
mer zu erwarten, die unter verschieden
lich entdeckten größeren Trümmer. Diese
Kilometer pro Sekunde auf den Satelliten
schrägen Winkeln eintreffen. Diese Ein-
wurde von amerikanischer Seite kurz nach
ein. Das entspricht fast der doppelten
schlagsgeometrien hängen von der Bahn-
dem Ereignis mit rund 700 angegeben und
Bahngeschwindigkeit von 7,9 Kilometern
verteilung der Trümmer und der Umlauf-
liegt auch diesen Analysen zugrunde. Bis-
pro Sekunde. Die Analysen weisen darauf
bahn des betroffenen Satelliten ab.
lang (1. März 2009) sind aber erst etwa halb
Der Zusammenstoß und seine Folgen
D
ie Kollision von Iridium 33 und Kosmos 2251 wird sich noch
Vergleicht man die Einschlaggeschwindigkeiten von Ob-
für lange Zeit auf die Raumfahrt auswirken: Im Bereich der
jekten größer als fünf Millimeter vor und nach der Kollision, so
niedrigen Erdumlaufbahnen ist ein Satellit in rund 800 Kilome-
zeigt sich, das nach dem Zusammenstoß der Partikelfluss bei
ter Höhe nach dem Zusammenprall einem um fast ein Drittel
hohen Kollisionsgeschwindigkeiten deutlich angestiegen ist
höherem Partikelfluss ausgesetzt (rote Kurve in der oberen Gra-
(Grafik unten links).
fik links). Hier ist die simulierte Verteilung der räumlichen Dichte
von Objekten größer als fünf Millimeter dargestellt.
Für Erdbeobachtungssatelliten auf Bahnen um 800 Kilometer Höhe zeigt sich, dass diese bevorzugt frontal von Trümmer-
Im Bereich von 200 bis 30 000 Kilometer zeigt sich für kleine
stücken größer als fünf Millimeter getroffen werden, der Azimut
Objekte hat nach der Kollision markant zugenommen (rote
(Grafik rechts oben).
Kurve in der Grafik unten rechts).
räumliche Dichte [Objekte pro km3]
des Einschlags beträgt dann null Grad. Auch die Anzahl dieser
Kilometer, der Beitrag in höheren Umlaufbahnen ist sehr gering
vor der Kollision
nach der Kollision
3,0
akt. Weltraummüllpopulation
Trümmer der IridiumKosmos-Kollision
10-4
10-6
2,0
10-8
10-10
1,0
10-12
0
300
600
900
1200
1500
100
1800
1000
Objektfluss [10-3 Objekte pro Jahr und m2]
Objektfluss [10-3 Objekte pro Jahr und m2]
vor der Kollision
nach der Kollision
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0
5
10
15
Einschlaggeschwindigkeit in Kilometer pro Sekunde
www.astronomie-heute.de
10000
Bahnhöhe in Kilometer
Bahnhöhe in Kilometer
20
0,08
vor der Kollision
nach der Kollision
Alle Grafiken: ILR / TU Braunscheig / SuW-Grafik
räumliche Dichte [10-6 Objekte pro km3]
Objekte nach dem Zusammenstoß eine Häufung um 800
0,06
0,04
0,02
0
-100
0
100
Einschlagazimut in Grad
April 2009
27
so viele Objekte katalogisiert worden. Viel-
se genaueren Untersuchungen im Rah-
Space Debris Terrestrial Environment Re-
leicht muss auch die Anzahl der Trümmer
men eines derzeit laufenden ESA-Projekts
ference Model) bildet die Partikelumge-
im Kleinteilbereich nach unten korrigiert
durch.
bung auf Erdumlaufbahnen ab und hilft
werden. Möglicherweise sind bei der Kol-
bei der Planung von Raummissionen.
trümmert worden, wie Antennen oder So-
Ein MASTER für den
Weltraummüll
larzellenausleger.
Am Institut für Luft- und Raumfahrtsy-
jekten und Satelliten abschätzen. Mit prä-
Die hier dargestellten Ergebnisse sind
steme der TU Braunschweig entwickeln
ziseren Daten sollte es uns gelingen, ei-
vorläufig. Eine genauere Analyse ist erst
wir unter Vertrag mit der ESA zurzeit die
ne detaillierte Prognose der Kollisionsge-
dann möglich, wenn ausreichend präzi-
neueste Version des europäischen Welt-
se Daten aus den Radarbeobachtungen
raummüllmodells mit der Bezeichnung
fahren nach dem Satellitenzusammenstoß zu erstellen. Carsten Wiedemann,
zur Verfügung stehen. Wir führen die-
MAS­TER-2009. MASTER (Meteoroid and
Mit diesem Modell lässt sich das Kollisionsrisiko zwischen Weltraummüllob-
Sven FlegeL, Peter Vörsmann
ESA
lision nur Teile der beiden Satelliten zer-
Gedrängel im Weltall
18 000 Objekte im Erdumlauf werden
derzeit von der erdgebundenen Radarüberwachung verfolgt. Tausende
Satelliten und ausgebrannte Raketenstufen tummeln sich auf erdnahen Bahnen
(oben). Zusätzlich ist die Erde von einem
Ring umgeben, es ist der Gürtel der geostationären Satelliten in 36 000 Kilometer
Höhe (links).
Zu diesen großen Objekten kommen
noch Millionen kleinerer Trümmer hinzu,
die nicht per Radar zu erfassen sind.
Aber auch diese können schon schwere
Schäden anrichten (unten): Hier durchschlägt in einem Beschusstest ein nur
wenige Millimeter großes Projektil (Pfeil)
ESA
mit fünf Kilometer pro Sekunde eine
Ernst-Mach-Institut (EMI)
Stahlplatte.
28
April 2009
Sterne und Weltraum
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