Die Spuren des Verglühens

Gerding untersucht am Leibniz-Institut für Atmosphärenphysik in Kühlungsborn den Lithium-Gehalt in der mittleren Atmosphäre. Lithium sollte natürlicherweise nicht im kosmischen Staub vorkommen. Trotzdem messen die Forscher neben einer geringen Grundkonzentration immer wieder mal einen Anstieg der Lithium-Menge. Nun wollen sie herausfinden, ob verglühender Weltraumschrott die Ursache dafür ist.

Eine Herausforderung ungeahnten Ausmaßes

2024 hat das Team um Gerdings mit Lithium-Messungen begonnen. „Damals dachten wir, dass wir ‚vor dem Problem‘ wären – und zunächst die noch saubere Atmosphäre vermessen könnten, um die Ergebnisse mit denen weiterer Messungen in zehn Jahren zu vergleichen“, berichtet der Physiker und bedauert: „Stattdessen hätten wir besser schon vor zehn Jahren angefangen. Aber damals hat niemand geahnt, welche Ausmaße die Raumfahrt in so kurzer Zeit annehmen würde.“

Michael Gerding betont jedoch, dass die Raumfahrt die Atmosphäre nicht allein durch Wiedereintritte beeinflusst. Beim Start einer Rakete wird das Hundertfache an Masse umgesetzt und emittiert, darunter Wasserdampf, Metallpartikel, Treibstoff und Ruß. Am Stuttgarter Uni-Institut für Raumfahrtsysteme analysieren die Forscher deshalb die Umweltauswirkungen verschiedener Raketen – und zwar über ihren gesamten Lebenszyklus hinweg: von der Produktion über den Start bis zum Wiedereintritt in die irdische Lufthülle. Das Ziel sind verlässliche Zahlen, mit denen sich die Folgen fürs Klima modellieren lassen.

Eine Herausforderung bei dem Projekt ist es, zunächst die Daten über die Material- und Massenzusammensetzung der Raketen zu bekommen. „Die stehen normalerweise nicht öffentlich zur Verfügung. Für die Industrie ist es kritisch, wenn Mitbewerber wissen, welche Legierung man verwendet, welche Konstruktion und welche Massenauftragung man hat“, erklärt Raumfahrtingenieur Jan-Steffen Fischer. Um das Problem zu lösen, gibt es zumindest auf europäischer Ebene eine Initiative: Sogenannte Product Environment Footprint Category Rules (PEFCR) sollen Raumfahrtfirmen dazu verpflichten, ihren Umweltfußabdruck standardisiert zu bestimmen und offenzulegen. Allerdings: Verabschiedet ist die Regelung noch nicht – und weltweit gültig ohnehin nicht.

Große Unsicherheiten in der Forschung

Doch Fischer und sein Team verfügen durch Industriepartnerschaften unter anderem für die europäische Rakete „Ariane 6“ über zuverlässige Daten. Damit konnten sie die Emissionen bei deren Wiedereintritt berechnen und erste Annahmen über die Umweltauswirkungen treffen. Möglich ist etwa eine vermehrte Wolkenbildung in der Strato- und Mesosphäre. Das würde das Strahlungsverhalten auf der Erde, den Ozonkreislauf und den Treibhauseffekt beeinflussen. „Doch es gibt immer noch große Unsicherheiten“, betont Fischer. „Wir können zwar sagen, welche Auswirkungen möglich sind, aber nicht wie groß sie ausfallen.“

Am besten erforscht sind die Auswirkungen auf den Ozonkreislauf. So wirken Festtreibstoffe auf Basis von Ammoniumperchlorat ähnlich wie Fluorkohlenwasserstoffe (FCKW), die in den 1980er-Jahren zu einem rasanten Ozonabbau geführt haben und deshalb verboten wurden. Auch Eisen- und Aluminiumoxide aus dem Wiedereintritt von Raketenteilen tragen zum Ozonabbau bei.

Doch beim Wiedereintritt entstehen nicht nur Metall-Emissionen. Neben metallischen Legierungen enthalten Raumfahrtobjekte auch mit Kohlenstofffasern verstärkten Kunststoff, der beim Verglühen Rußpartikel erzeugt. Dieses Black Carbon verstärkt den Treibhauseffekt – und hat dabei eine rund 1000-fach stärkere Wirkung als CO₂. Auch indirekte Emissionen spielen eine Rolle: So entstehen durch die Aufheizung der Luft beim Wiedereintritt Stickoxide (NOx). Die sind für etwa 45 Prozent des Ozonabbaus in der oberen Atmosphäre durch Raketen verantwortlich. „Hinzu kommen Stoffe, die wir noch nicht gemessen haben, weil wir jetzt erst mit den Analysen starten“, sagt Fischer. Damit lässt sich das Ausmaß des Ozonabbaus noch schwer abschätzen. 2022 ordneten Experten der World Metereological Organization den Einfluss von Raketenstarts auf das Ozon im Vergleich zu anderen Einflüssen deutlich unter 0,1 Prozent ein. Sie betonten aber, dass die zu wenig verstandenen Wiedereintrittsemissionen in der Schätzung nicht berücksichtigt werden konnten – und warnten vor einem verstärkten Ozonabbau.

Liegt die Lösung in einem neuen Design?

Während einige Wissenschaftler die Emissionsdaten der Raumfahrt ermitteln, forschen andere bereits an möglichen Lösungen. Auch wenn die genauen Auswirkungen noch unsicher sind, scheint klar zu sein, dass Raumfahrtobjekte nicht in unbegrenzter Zahl in der Atmosphäre verglühen sollten. Doch momentan ist genau das ein beliebtes Mittel gegen den Weltraumschrott. Viele Raketenstufen und Satelliten werden nach dem „Design to Demise“ (D2D) von Anfang an so gebaut, dass sie beim Wiedereintritt in die Atmosphäre komplett verglühen. Fischers Kollegin Sophie Förste beschäftigt sich mit dem gegensätzlichen Prinzip: dem „Design not to Demise“ (Dnot2D). Sie analysiert, wie sich Raketenstufen möglichst vollständig und kontrolliert auf die Erde zurückführen lassen. „Doch Emissionen entstehen bei jeder Art von Wiedereintritt – man kann sie unmöglich bis auf null reduzieren“, stellt die Raumfahrtingenieurin fest.

Ein Beispiel für Design not to Demise liefert die teilweise wiederverwendbare Starship-Rakete von SpaceX. Zum Dnot2D-Ansatz gehören aber auch Systeme, die sich nach dem Wiedereintritt nicht mehr wiederverwenden lassen. Sie landen im Grunde als Kernschrott auf der Erde und lassen sich dann aufsammeln und recyceln. Denn nicht immer ist ein komplett wiederverwendbares System tatsächlich nachhaltiger. Das ergab die Lebenszyklus-Analyse von Stuttgarter Raumfahrtforschern.

Der Grund: Um ein Kilogramm Material ins All zu bringen, verbraucht ein wiederverwendbares System deutlich mehr Treibstoff. Statt alles beim Start zu verbrennen, muss ein Teil des Treibstoffs für die Rückführung des Systems aufgespart werden. Hinzu kommt, dass wiederverwendbare Systeme besonders robust und damit schwer sein müssen, um die Belastung beim Flug immer wieder zu überstehen. Auch das höhere Gewicht geht mit einem höheren Treibstoffverbrauch einher. „Erst ab einer gewissen Zahl von Wiederverwendungen lohnen sich solche Systeme, sowohl wirtschaftlich als auch mit Blick auf den Fußabdruck“, sagt Förste.

Der wirtschaftliche Aspekt ist auch der Grund, warum es bislang kaum wiederverwendbare Systeme gibt: Sie sind schlicht und einfach zu teuer. „Doch mit SpaceX und anderen privaten Firmen ist jetzt eine neue Ära eingeleitet“, sagt Förste. „Wir erreichen Startraten, mit denen sich Wiederverwendbarkeit rechnet.“

Privatunternehmen sind es auch, die die Entwicklung dieser Technologie stark forciert haben. „In Europa forschen wir schon recht lange an wiederverwendbaren Systemen“, berichtet Jan-Steffen Fischer. „Doch getrieben vom Kostendruck und wohl auch aufgrund des Zeitplans ihres Chefs Elon Musk hat SpaceX es geschafft, die Technologie deutlich schneller bereitzustellen.“

Schnelle Probleme, langsame Lösungen

Das heißt aber nicht, dass die Raumfahrt durch private Unternehmen zwangsläufig nachhaltiger wird. Zwar herrscht eine unverbindliche Einigkeit darüber, dass Weltraumschrott ein zu lösendes Problem ist, doch klare globale Richtlinien und Gesetze gibt es nicht. Stattdessen hat jedes Unternehmen und Land eine eigene Strategie. „Wir scheitern im Weltraum aktuell schon daran, überhaupt ‚Verkehrsregeln‘ einzuführen“, klagt Fischer. „Wenn ein Satellit die Bahn eines anderen kreuzt, wer weicht dann aus? Das ist nicht klar. Und hinsichtlich der Umweltauswirkungen gibt es erst recht keine Regelungen.“

Die EU arbeitet aktuell an gemeinsamen Vorschriften, um die Nachhaltigkeit von Weltraumaktivitäten zu erfassen und zu bewerten. Dabei wird sie von der Entwicklung der Raumfahrtbranche geradezu überholt. „Es ist das rasante Wachstum, das für Probleme sorgt, während wir global nicht richtig organisiert sind“, meint Sophie Förste. Neben dem Design not to Demise hat sie noch einen weiteren Lösungsansatz, um die Folgen für die Atmosphäre zu reduzieren: „Es gibt eine Alternative – und da ist die Raumfahrt vielleicht ein bisschen etwas Besonderes: Statt die Wiederverwertung auf die Erde zu verlegen und zu versuchen, alles zurückzubringen, könnten wir langfristig eher in Orbit-Dimensionen denken“, sagt die Raumfahrtingenieurin. „Das bedeutet, dass wir alles, was wir hochgebracht haben, dort oben lassen und dann direkt im Orbit recyclen, wiederverwenden und letztlich neue Satelliten daraus bauen.“ ■

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