Der Friedhof der Raumschiffe

Allerdings gelingt nicht immer eine Punktlandung für die auf der Erde ankommenden rot glühenden Trümmer, die in der Tiefsee von Point Nemo versenkt werden. Vielmehr umfasst das Zielgebiet für abstürzende Raumflugkörper eine recht große Fläche. Raumfahrtforscher Holger Krag nennt sie die SPOUA – South Pacific Ocean Unpopulated Area: ein mehr als 22 Millionen Quadratkilometer großes Areal. Seine Größe ist vergleichbar mit der von ganz Nordamerika. Auch eine Region im Südatlantik wird manchmal für einen Absturz anvisiert, doch dort ist die unbewohnte Fläche kleiner. Und es gilt: Je größer der menschenleere Bereich, desto kleiner ist auch das Risiko. Denn liegen die Techniker mit ihren Berechnungen für den Aufprall auf die Erde nur fünf Minuten daneben, schlagen die glühenden Trümmer rund 2.000 Kilometer versetzt zum erwarteten Ort auf. „Dann könnten sie schon mal Land treffen“, sagt Krag.

Der geplante Absturz der ISS

Das schwerste und größte Objekt, das – auch ohne russische Drohgebärden – einmal wieder zurück zur Erde muss, ist die ISS. Ihr Ende im All ist für 2030 vorgesehen. Dann geht es um eine Menge an Material: Denn mit ihren 110 mal 100 Meter Größe und rund 450 Tonnen Gewicht ist die Internationale Raumstation ein wahrer Koloss. Auch wenn die Raumfahrtexperten bereits Jahre vorher den Wiedereintritt, den „Re-entry“, planen, ist ihr sicherer Absturz zur Erde eine enorme Herausforderung. Er wird dann, so der Plan, Zug um Zug verlaufen.

Sechs Tage bevor die genauen Navigationsmanöver hin zum Absturzort bei Point Nemo feststehen, ergeht eine Warnung an die Schifffahrt in dem überflogenen Seegebiet, zwei Tage vor dem Aufprall auf das Meer auch ein Signal an den internationalen Flugverkehr: die „Notice to Airmen“ (NOTAM), die Nachricht an Luftfahrer. Den Kraftakt für den Schub zur Rückführung der ISS werden nach heutigem Planungsstand wohl russische Progress–Transporter aufbringen.

Doch um die Station auf die richtige Bahn zu bringen, haben die Navigatoren nur eine begrenzte Schubleistung zur Verfügung. Das Manöver wird bereits auf der Point Nemo abgewandten Seite der Erde beginnen. Der erste Schubstoß gegen die Flugrichtung erfolgt dann in 400 Kilometer Flughöhe. Er leitet den Absturz ein. Kontinuierlich folgen danach weitere Schübe. Der letzte Schubimpuls schließlich muss genau sitzen, erläutert Holger Krag: „Denn danach gibt es keine Möglichkeit mehr, Einfluss zu nehmen.“

Eine Viertelstunde bis zum Aufprall

Dann, in einer Höhe von 120 Kilometern, beginnt der Re-entry, und nach diesem Eintauchen in die Erdatmosphäre dauert es nur noch 10 bis 15 Minuten bis zum Aufprall. Während dieser Zeit durchfliegt das Raumgefährt zunächst die sogenannte Hochatmosphäre: den oberen Bereich der irdischen Lufthülle, weit über den höchsten Wolken. Dort ist die Luft zwar sehr dünn, dennoch erwärmt sich die mit einem Tempo von rund 28.000 Kilometer pro Stunde abstürzende ISS stark. Dabei ist es nicht die Reibung mit der oberen Atmosphäre, die die Station aufheizt. Vielmehr staut sich die dünne Luft vor deren Bauteilen und wird bei 15-facher Schallgeschwindigkeit massiv zusammengepresst. Dadurch steigt die Temperatur. Die heiße Luft strömt dann an und um das Raumfahrzeug – ähnlich wie warme Luft beim Fönen die Haare umweht. „Das führt dazu, dass auch das Material schnell heiß wird und dadurch aufweicht“, erläutert Raumfahrtforscher Stefan Löhle.

Ultraheiße Bugwelle

Ab einer Höhe von 95 Kilometern formt sich vor der abstürzenden Station eine Bugwelle aus energiereichem Plasma mit Temperaturen von rund 10.000 Grad Celsius. Dadurch heizt sich die Oberfläche der ISS bis auf 1.500 Grad Celsius auf. In etwa 90 Kilometer Flughöhe platzen die Solarpanelle ab, da die Gelenke ihrer Halterung den aerodynamischen Kräften nicht mehr standhalten. Die Folge: Das Raumschiff beginnt zu trudeln und bricht schließlich auseinander. Das geschieht 80 bis 70 Kilometer über der Erdoberfläche. Die Außenwände schmelzen und die inneren Bauteile zerlegen sich.

Nach und nach zerbricht fast das gesamte Fluggerät in einzelne Trümmerstücke. Metalle schmelzen auf, Computerboards zerfallen und sinken in vielen Einzelteilen weiter nach unten. Schmelzende Metallbrocken fallen von den Überresten der ISS ab und bilden eine fast 100 Kilometer lange Trümmerschleppe, die sogar vom Boden aus zu sehen sein wird – am Nachthimmel als eine langsame Folge von zahlreichen Sternschnuppen.

Beim weitere Sturz verlieren die restlichen Trümmer nicht nur an Gewicht, sondern auch an Tempo. Ab etwa 40 bis 30 Kilometer Höhe haben sie ihre Geschwindigkeit in Vorwärtsrichtung abgebaut und fallen dann fast senkrecht nach unten. Mit nur noch ungefähr 300 Kilometer pro Stunde treffen sie letztlich auf der Meeresoberfläche des Pazifik auf – ähnlich schnell wie ein abstürzendes Flugzeug. Rund 40 Minuten nach dem ersten Bremsmanöver platschen dann die ersten Teile ins Meer. Doch größere Wellen entstehen beim Aufprall auf dem Wasser nicht.

Von der ISS werden zum Zeitpunkt des Aufpralls nur noch 20 bis 40 Prozent der ursprünglichen Masse übrig sein. Der große Rest übersteht den Wiedereintritt in die Lufthülle der Erde nicht. Idealerweise sinkt der verbliebene Teil der ISS dann irgendwo rund um den einsamsten Ort der Erde bis in etwa 5000 Meter Tiefe auf den Meeresboden: Er landet auf dem Friedhof der Raumschiffe in einer Region, die auch unter Wasser nur schwer zugänglich ist.

Beobachter in sicherer Entfernung

Doch auch wenn das Meer rund um Point Nemo in den Tagen vor einem Absturz noch einsamer ist als sonst: Manchmal sind wissenschaftliche Beobachter an Ort und Stelle, wenn Raumfahrzeuge dorthin zu ihrer letzten Ruhestätte befördert werden. So war es etwa am 29. September 2008, als der kontrollierte Absturz des Raumtransporters „Jules Verne“, der ATV-1, stattfand. Die Jules Verne hatte zuvor die ISS mit Vorräten versorgt und den Müll von der Internationalen Raumstation zur Erde zurückgebracht. Aus einem Flugzeug heraus wollten Forscher Messdaten gewinnen, die wichtige Informationen für den späteren Absturz der ISS liefern sollen: Wie zerfällt das ATV? Woraus bestehen die Trümmer und welche Geschwindigkeiten und Flugbahnen haben sie?

Einige Passagiere an Bord des Flugzeugs, die die spektakuläre Leuchterscheinung beim Absturz aus nächster Nähe bei guter Sicht beobachteten, waren aus dem Team um Stefan Löhle vom Institut für Raumfahrtsysteme der Universität Stuttgat. Das Flugzeug war voller Messinstrumente – darunter eines von Löhles Arbeitsgruppe. Sie testet seit Jahren im Labor, was bei einem Wiedereintritt geschieht. Zwar gibt es dazu auch Computermodelle, doch die realen Messungen sollen auch Effekte erfassen, die sich bislang nicht modellieren lassen.

„Es geht los“

Zwei Flugzeuge der NASA umkreisten die berechnete Absturzstelle schon Stunden vorher in einem sicheren Abstand von rund 100 Kilometern. In einem der Flugzeuge saßen Löhles Teammitglieder zusammen mit anderen Forschern. Sie alle quetschten sich hinter 15 kleine Sichtluken und warteten auf das Signal vom Piloten, der schließlich über Bordfunk die Ansage machte: „Es geht los.“

Die Zeit ist kurz, um das Spektakel am Ende der Raumflugmission zu verfolgen. „Dann ist es nur wichtig, aus der richtigen Richtung aus den Luken zu blicken, denn das Raumfahrzeug kommt pünktlich an der Absturzstelle an“, sagt der Darmstädter Forscher Holger Krag. Die Leuchtspur ist dann nur wenige Minuten lang zu sehen, bei einer kleineren Raumkapsel sogar nur rund 40 Sekunden. Eine deutlich längere Spur wird hingegen die ISS hinter sich herziehen.

Zahlreiche Messgeräte an Bord

Das Flugzeug mit den Wissenschaftler hatte schon lange vor dem Spektakel alle Lichter gelöscht und die Heizung abgestellt. Es war dunkel und kalt an Bord. Ein kontrollierter Absturz findet meist bei Neumond statt, denn jede fremde Strahlung, Wärme und Licht würden nur stören. Die Forscher untersuchten, wie das 20 Tonnen schwere Raumflugzeug von der Größe eines Lkw beim Wiedereintritt in die Atmosphäre zerfällt. Sie maßen zudem, woraus die einzelnen Bruchstücke bestanden und welche Größe die Trümmer hatten.

Unter dem Sternbild „Südliches Dreieck“ tauchte die Jules Verne als kleiner Lichtpunkt auf und raste auf die Beobachter im Flugzeug zu. In einer Höhe von 75 Kilometern brach der Raumfrachter in mehrere Glutbälle auf. Wie eine Meute Wölfe stürzten die hell leuchtenden Brocken auf die Erde zu – bis der Schweif aus großen und kleinen Trümmern auf einer Fläche von 800 mal 80 Kilometern auf dem Wasser aufschlug. Vor allem die massiven Teile wie die Tanks aus Titan hielten die heiße Rückreise bis zu diesem Abschluss durch.

Auf den Absturz von Jules Verne im September 2008 folgten noch weitere Raumfrachter, die bei Point Nemo im Meer landeten. Geplant war auch ein Absturz des Transporters ATV-5 auf einer Flugbahn, wie sie wohl auch für die ISS ausgewählt werden wird, doch der Versuch wurde wenige Tage vor dem Re-entry abgesagt.

Inzwischen liegen im Umkreis von Point Nemo schon etliche Tonnen Trümmer von über 263 Raumflugkörpern in der Tiefsee. Im April 2021 etwa lenkte Russland einen veralteten Raumfrachter vom Typ Progress dorthin. Auch die Reste der ehemaligen bemannten russischen Station Mir und mehrere russische Raumstationen vom Typ Salyut liegen auf dem Meeresgrund im Südpazifik.

Re-entry im Labor

Was den Wiedereintritt übersteht, hängt unter anderem von der Konstruktion des Raumgefährts ab. Aus welchem Material es gefertigt ist, welche Form es hat und wie groß es ist, spielt auch eine Rolle. Wie sich ein Raumfluggerät unter den extremen Bedingungen beim Absturz zerlegt, untersucht Stefan Löhle mit seinem Team in Vakuumkammern. Darin erzeugen die Forscher energiereiche Strömungen – und damit ein Umfeld wie bei einem Absturz. Mit Plasmageneratoren erzeugen die Stuttgarter Forscher eine 5.000 bis 10.000 Grad Celsius heiße Gasströmung. Darin analysiert das Team unter Weltraumbedingungen etwa, wie sich der Zerfall des Materials auf den Hitzeschutz des Raumschiffs auswirkt.

Bislang hat Löhle stets nur bestimmte Situationen nachstellen können, doch seit 2023 kann sein Team als weltweit erste wissenschaftliche Arbeitsgruppe auch den Verlauf auf dem Rückflugpfad nachstellen. So lässt sich zum Beispiel das Verhalten von Drallrädern untersuchen. Diese Objekte stabilisieren die Position und Ausrichtung von Flugkörpern wie Satelliten

Die Daten, die sich mit Experimenten an einer solchen Vorrichtung gewinnen lassen, helfen beispielsweise herauszufinden, wann das Fluggerät aufbricht, und wie steil etwa ein Raumfrachter in die Atmosphäre eintauchen muss, damit er schnell verglüht. Ist der Winkel zu flach, prallt das Objekt an der Luft ab und fliegt zurück in den Weltraum, „das kennen Sie, wenn Sie flache Steine auf einen See ditschen, und die dann vier, fünf Mal nach oben weiterfliegen“.

Planetoidenstaub im Gepäck

Zur Unterstützung der Laborversuche dient die Beobachtung realer Rückkehrflüge. So bereitete sich Stefan Löhle zuletzt auf die Mission an Bord eines Beobachtungsflugzeugs vor, um den Absturz von „OSIRIS-REx“ am 24. September dieses Jahres live zu verfolgen. Die Raumsonde hatte Gesteinsproben auf dem Planetoiden Bennu eingesammelt. Im Mai 2021 war der Rückflugschub ausgelöst worden, damit die Sonde zur Erde zurückkehrt – mit rund einem Kilogramm Planetoidenstaub in einem besonders robusten Bauteil, das den kontrollierten Absturz heil überstehen sollte.

Für neu gebaute Satelliten und Raumsonden gilt jetzt das Ziel: „Design for Demise“. Das bedeutet: „Bauen zum Aufschmelzen“. Und schmelzen soll am besten so viel von dem Flugkörper wie möglich. Erreichen lassen soll sich das etwa durch die Verwendung bestimmter Metalle und eine geeignete Konstruktionsweise. Eine Möglichkeit dafür haben japanische Forscher vorgeschlagen. Sie raten dazu, Holz als Baumaterial zu verwenden. Im Mai 2023 wurde der erste Langzeitversuch mit einer Sonde, die unter anderem aus Magnolienholz besteht, erfolgreich abgeschlossen. Das Experiment weist einen Weg, um die Menge an Weltraumschrott in den Tiefen der Weltmeere zu verringern.

Wöchentlich ein Absturz

Derzeit stürzen rund 100 Tonnen Material pro Jahr zurück zur Erde, als Reste von jährlich 50 bis 60 Objekten. Sie fallen teils völlig unkontrolliert herab. Die meisten ausgedienten Raumflugkörper wurden gestartet, als das selbstzerstörerische Designziel noch nicht galt. Wenn es nach Holger Krag ginge, sollten künftig zumindest Raumfahrtobjekte ab ein paar Hundert Kilogramm Masse kontrolliert zur Erdoberfläche geleitet werden – da deren Absturz ein besonderes Risiko darstellt. Dazu gehören unter anderem Satelliten mittlerer Größe, die europäische Rakete Ariane 6, russische Progress-Transporter, US-amerikanische Dragon-Kapseln sowie die Versorgungsfrachter der ESA. Diese Raumschiffe bringen regelmäßig Sauerstoff und Nahrungsmittelvorräte zur ISS.

Ende Juli 2023 begleitete Krag mit seinem Team erneut eine Rückkehr aus dem All: die von „Aeolus“ – einem Erdbeobachtungsatelliten mit einem Triebwerk und noch etwas Treibstoff für den Wiedereintritt. Aeolus wog zwar nur rund eine Tonne, aber die Gesamtkonstruktion des alten Satelliten war ungünstig für ein vollständiges Verglühen. Einer, der den Absturz mitberechnet hat, ist Tobias Lips. Der Geschäftsführer des Unternehmens HTG-Hyperschall Technologie Göttingen ist einer von wenigen Experten, die per Software die Trümmerbildung sowie die Zerstörung von Raumfahrzeugen beim Wiedereintritt simulieren. Kontrolliert oder unkontrolliert. Es geht immer darum, wie viel Material den Absturz bis zum Schluss übersteht.

Aeolus war ein spezieller Fall. Der Satellit sollte semikontrolliert herunterkommen. „Bei einem unkontrollierten Absturz wissen wir nichts, bei einem kontrollierten kennen wir Ort und Zeit des Aufpralls“, sagt Lips. „Bei Aeolus hingegen kannten wir den Ort nicht genau. Daher wählten wir eine Flugbahn aus, unter der kaum jemand wohnt.“ So wurde als Zielregion nicht Point Nemo, anvisiert, sondern ein Bereich über dem Atlantik bis in den Indischen Ozean.

Das Ende der Zusammenarbeit

Der für 2030 bevorstehende Absturz der Internationalen Raumstation ISS, der noch von der NASA und Roskosmos gemeinsam absolviert wird, markiert einen Wendepunkt. Er bedeutet wohl das Ende der internationalen Zusammenarbeit im Weltraum. Die Raumfahrt zerfasert zunehmend, beklagt Holger Krag. Bald wird es im Erdorbit eine chinesische Raumstation geben, daneben eine westliche und eine von Russland. Hinzu kommen immer mehr private Unternehmen, die ins All streben.

Und vielleicht kreisen Raumstationen künftig nicht mehr nur um die Erde, sondern auch um den Mond. Wo dann dort ein Absturz ausgedienter Flugkörper stattfinden wird, ist noch nicht klar. Zwar ist es überall auf dem Mond noch viel einsamer und abgeschiedener als am irdischen Raumschiff-Friedhof beim Point Nemo. Dennoch fände Krag es unethisch, wenn künftig der Müll von Weltraummissionen auf der Oberfläche des Erdtrabanten verstreut würde.

Menschen orientieren sich bei Entscheidungen an den Erfahrungen anderer. Dieses als „Social Proof“ bekannte psychologische Phänomen…