Kosmische Navigateure

Es war ein schwerer Schlag für die Klimaforschung: Im Oktober 2005 scheiterte der Start des europäischen Satelliten CryoSat. Mit Radarstrahlen sollte er in 720 Kilometer Höhe die Dicke der polaren Eisschilde vermessen. Doch die zweite Stufe der umgerüsteten russischen Interkontinentalrakete versagte und CryoSat verfehlte seine Umlaufbahn. In der Nähe des Nordpols stürzte das 140 Millionen Euro teure Gerät ins Eismeer. Ein Untersuchungsbericht nannte später einen Programmierfehler als Ursache. Der Rückschlag traf auch die Europäische Raumfahrtbehörde ESA, doch abfinden wollte sie sich damit nicht. Das Projekt CryoSat-2 wurde beschlossen. Nun schauen die Forscher wieder zum Raketenbahnhof Plessezk: Mit hoffentlich mehr Glück wird der automatische Polarforscher im Februar in den Himmel über Nordrussland donnern.

Ein Fall für TIRA

Raumfahrt erfordert Geduld und starke Nerven. Ist der stressige Start erst einmal gelungen, befinden sich die „Vögel”, wie die Ingenieure die Raumfahrzeuge nennen, in einer feindlichen Umgebung: Strahlung, starke Temperaturwechsel und Kollisionen setzen den Lieblingen der Ingenieure zu. Kommt es zu Problemen, tappen die Experten bei der Ursachenforschung immer wieder im Dunkeln. Dann greifen sie zum Telefonhörer und rufen Ludger Leushacke an. Der Wissenschaftler arbeitet an einer der führenden Radareinrichtungen weltweit: am Forschungsinstitut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik bei Bonn. Dort steht, bei guter Sicht kilometerweit erkennbar, das „Radom” vom Wachtberg: Eine 50-Meter-Kuppel, die die Radaranlage TIRA vor Wind und Wetter schützt. Das Kürzel bedeutet „Tracking and Imaging Radar” .

Die gewaltige Schüssel ist ein Kind des Kalten Krieges. Der Betrieb begann im Jahr 1970. Aus der Nähe sieht man die Altersspuren auf der Kuppel aus Stahl und Spezialkunststoff. „ Ursprünglich sollte TIRA anfliegende sowjetische Interkontinentalraketen verfolgen”, sagt Leushacke, während das Antennen-Ungetüm mit beachtlichem Tempo über seinem Kopf in eine neue Position schwenkt. Auch nach dem Fall des eisernen Vorhangs stehen militärische Aufgaben im Fokus des Instituts, das kürzlich in die Fraunhofer-Gesellschaft eingegliedert wurde. Zunehmend wird der Horchposten zur Abwehr einer zivilen Bedrohung wichtig: von Weltraummüll. Seit vor über 50 Jahren die Raumfahrt begann, sind etwa 6000 Satelliten ins All geschossen worden. Rund 900 davon sind heute noch in Betrieb. Doch die Zahl der im Orbit schwirrenden Körper ist erheblich höher. Neben den ausgedienten Satelliten reicht das Spektrum von ausgebrannten Raketenstufen bis hin zu abgesprengten Sicherungsbolzen, Isolierfolien und Farbresten. Generell gilt: Je kleiner der Weltraumschrott, desto mehr gibt es davon. Etwa 18 000 Objekte sind größer als zehn Zentimeter, Mini-Trümmer mindestens so groß wie eine Kirsche gibt es 40 Mal so viele. „Zwei Zentimeter Durchmesser muss ein Objekt in tausend Kilometer Entfernung mindestens haben, damit TIRA es noch ausmachen kann”, erklärt Leushacke. Jedes ist für sich genommen eine Gefahrenquelle. Wegen der hohen Geschwindigkeit von typischerweise knapp acht Kilometern pro Sekunde können größere Objekte Raumfahrzeuge bei Kollisionen in Stücke reißen. Doch auch kleiner Müll kann ganze Satelliten oder zumindest einzelne Komponenten unbrauchbar machen. Je höher die Trümmerstücke kreisen und je winziger sie sind, um so schwieriger sind sie zu verfolgen.

TIRA hilft, Kollisionen zu vermeiden. In der Satellitenflotte der ESA geht es vor allem um die beiden Umweltbeobachter Envisat und ERS 2, weil sie in einer besonders gefährlichen Höhe von 800 Kilometern kreisen. Grundlage für Kollisionswarnungen sind die Daten des amerikanischen „Space Surveillance Network” (siehe Kasten „Globales Horchposten-Netz”). Das ist ein weltweiter Verbund von Radarstationen und optischen Observatorien, die die Objekte in Erdnähe im Auge behalten. Seine Daten werden aus militärischen Gründen jedoch nur mit absichtlich verminderter Genauigkeit zur Verfügung gestellt.

Die ESA-COmputer schlugen Alarm

Im Ernstfall ist das zu unpräzise. Hier kann TIRA helfen. So auch Anfang des vergangenen Jahres: In Darmstadt schlugen die ESA-Computer Alarm. Es drohte eine Frontalkollision von Envisat mit dem russischen Satelliten-Oldtimer Cosmos-1624. Der gehört zu einer Gruppe von Dutzenden militärischer Kommunikationssatelliten, die alle auf ähnlichen Bahnen kreisen wie die beiden europäischen Umweltspäher. Gestartet wurde der über 700 Kilogramm schwere Militär-Satellit bereits 1985. Seit Langem zieht er nutzlos seine Bahn. Bereits wenige Tage nach der ersten Warnmeldung sollte es zur bedrohlichen Begegnung über dem südlichen Indischen Ozean zwischen Madagaskar und der Antarktis kommen – am 9. Januar 2008. Während der Termin näher rückte, zeigten mehrere Computerberechnungen, dass die Kollisionsgefahr weiter wuchs. Musste der 2,3 Milliarden Euro teure Envisat ausweichen? Eine genaue Abschätzung des Risikos war unabdingbar.

Ein Fall für TIRA. Insgesamt 4 Mal vermaß die Parabolantenne den Überflug von Cosmos-1624 am Himmel über dem Wachtberg, das letzte Mal kaum 35 Stunden vor dem vorhergesagten Kollisionstermin. Mit den genauen TIRA-Messungen wendete sich das Blatt: Beide Satelliten würden sich um 0,6 Sekunden verpassen, so die beruhigende Botschaft eines weiteren Rechenlaufs der ESA-Computer. Das reichte den Experten, um von einem ungefährlichen Vorbeiflug auszugehen. Ein Ausweichmanöver wurde nicht angeordnet.

Salven auf die Raumstation

Jedes Mal, wenn TIRA für Entwarnung sorgt, freuen sich die ESA-Ingenieure, denn der kostbare Satellitentreibstoff muss nicht für Ausweichmanöver vergeudet werden. Da er für den laufenden Betrieb benötigt wird, reduziert ständiges Ausweichen die Lebensdauer eines Satelliten. Das zunehmende Kollisionsrisiko hält die ESA-Experten in Atem: Holger Klinkrad vom Darmstädter Büro für Weltraummüll zufolge wird es etwa 20 Mal pro Jahr brenzlig auf den Bahnen von ERS 2 und Envisat. 5 Mal schon mussten Satelliten ausweichen, zuletzt im April 2009. Auch die Internationale Raumstation muss immer wieder die Triebwerke zünden, denn drohende Zusammenstöße sind auch für die ISS keine Seltenheit: 8 Mal musste die Station bislang auf eine sichere Bahn bugsiert werden. Im März 2009 war es selbst dafür zu spät: Die Astronauten flohen in die angedockte Sojus-Rettungskapsel. Die Bodenkontrolle hatte darauf bestanden, weil sich eine ausgebrannte Raketenstufe gefährlich näherte. Glücklicherweise raste sie dann doch vorbei.

Über die zahllosen mikroskopisch kleinen Objekte, die der ISS in die Quere kommen, liegen inzwischen erste Messungen vor: Im vergangenen September brachte das Space Shuttle Discovery ein Detektor-Experiment zur Erde zurück. Eineinhalb Jahre lang war es außen am europäischen Columbus-Modul montiert und dem Beschuss von Teilchen ausgesetzt, so winzig wie die Rauchpartikel einer Zigarette – kaum einen Tausendstel Millimeter klein. Dabei handelt es sich um natürlich vorkommende Mikrometeoriten sowie um feine Partikel, die Feststoffraketen ausgestoßen hatten. Sie bestehen vorwiegend aus Aluminium und Aluminiumoxid.

EXPLOSIONEN IM ERDORBIT

Hinzu kommen Trümmer von Satelliten, die zum Beispiel aus der Explosion von Treibstoffresten stammen. Gerhard Drolshagen, als ESA-Forscher für das ISS-Experiment zuständig, hat bereits einige überraschende Resultate aus den Daten des Detektors gewonnen: „ Die Einschläge sind zeitlich nicht zufällig verteilt, sondern konzentrieren sich oft auf kurze Zeitintervalle von etwa 60 bis 80 Sekunden.” Aluminiumfolie, die in der Schusslinie solcher Salven liegt, erhitzt sich auf Tausende Grad Celsius – heißer als die Sonnenoberfläche. Für die mehrschichtige Außenwand der ISS sind die kleinen Teilchen zwar keine Gefahr, aber: „Ab etwa 0,5 Millimeter Partikelgröße muss man beginnen, sich Sorgen zu machen. Projektile dieses Kalibers könnten bereits die weichen Teile eines Raumanzugs beschädigen”, so Drolshagen. Doch der Physiker hat nicht nur die unmittelbare Umgebung der Erde im Fokus. Ihn interessieren auch die Ströme der Partikel an anderen für die Raumfahrt wichtigen Orten: etwa auf dem Mond oder am Lagrange-Punkt L2. An diesem 1,5 Millionen Kilometer entfernten Ort jenseits der Erdbahn wurden mehrere Wissenschaftssatelliten stationiert, zuletzt die astronomischen Observatorien Herschel und Planck der ESA.

Rettungsaktion im All

Doch die größte Gefahr für Raumfahrzeuge fern der Erde sind nicht Meteoriten oder Weltraumschrott, sondern menschliches Versagen. Das Schicksal von CryoSat ist ein Beispiel. Software- oder Konstruktionsfehler, die den Ingenieuren erst nach dem Start auffallen, müssen im Flug korrigiert werden. So war es vor der Landung der Huygens-Sonde auf dem Saturnmond Titan, die bislang wohl der spektakulärste Erfolg der europäischen Raumfahrt ist. Was kaum jemand weiß: Der Mission drohte lange Zeit ein Desaster.

1997 war Huygens im Huckepack mit der Cassini-Sonde der NASA gestartet. Cassini sollte Saturn und zahlreiche Saturnmonde ins Visier nehmen, Huygens’ Ziel war ausschließlich Titan, der größte Trabant des Ringplaneten. Niemand ahnte damals etwas von einem fatalen Fehler tief in Cassinis technischen Systemen. Das bislang teuerste Raumschiff, das je zu den Planeten geschickt wurde, war intensiv am Boden getestet worden. Das Gleiche galt für Huygens. Am Titan musste ihr Zusammenspiel reibungslos funktionieren: Cassini war als Relaisstation für die Huygens-Daten vorgesehen, denn nur die große 4-Meter-Antenne Cassinis konnte die Funkübertragung zur weit entfernten Erde gewährleisten. Trotzdem hatte man auf einen vollständigen Test der Funkverbindung zwischen beiden Sonden verzichtet – aus Budget-Gründen, wie Robert Mitchell, der verantwortliche Manager vom Jet Propulsion Laboratory der NASA, später einräumte. Doch Claudio Sollazzo, verantwortlicher Manager vom Europäischen Raumflugkontrollzentrum (ESOC) in Darmstadt quälten Zweifel. Der Test sollte nachgeholt werden, die siebenjährige Anreise zum Saturn bot dazu genügend Zeit. Einfach ein Signal von Huygens zu Cassini zu schicken, kam allerdings nicht in Frage. Die Distanz von wenigen Zentimetern hätte kaum die Situation bei der vorgesehenen Titan-Landung nachstellen können, bei der beide Sonden in Tausenden Kilometern Abstand fliegen würden. Daher sollte von der Erde aus ein Radiosignal zu Cassini geschickt werden – eine Simulation der zu erwartenden Funkbotschaft von Huygens an Cassini. Den Auftrag, diesen Test zu entwerfen, erhielt ESA-Ingenieur Boris Smeds (siehe Kurzporträt: „Der Held der Titan-Forscher”).

SCHLAMPEREIEN AUF DER SPUR

Im Februar 2000 war es so weit: Smeds war in die kalifornische Mojave-Wüste gereist, zur Antennenanlage von Goldstone. Ein typischer Datenstrom war dort bereits per E-Mail eingegangen, ein technischer Zwilling von Huygens hatte ihn in Darmstadt erzeugt. Auf seinem Notebook hatte Smeds die nötige Software für den Test gespeichert. Nun stand die Übertragung der simulierten Daten an. 24 Minuten brauchten die lichtschnellen Funkwellen bis zu Cassini, der die empfangene Botschaft umgehend zur Erde zurücksenden sollte. Im ESOC-Zentrum wurden die Daten analysiert. Per Telefon und Fax hielt Smeds Kontakt. Sehr schnell zeigte sich, dass etwas nicht stimmte: Darmstadt meldete, das Trägersignal könne zwar empfangen werden, doch entzifferbare Daten waren darin kaum enthalten! Ein Schock für die ESA-Experten, rätselhaft dazu. Verwirrt fuhr Smeds am selben Abend in sein Motel. Er wusste, dass ihm die Zeit davonlief. Nur wenige Stunden blieben, um zu klären, was im Argen lag. Unterwegs keimte bei Smeds ein Verdacht: Die Probleme Cassinis, die Funkbotschaft korrekt zu empfangen, könnten mit der Frequenzverschiebung der Botschaft zusammenhängen.

Während Huygens bereits am Fallschirm durch die titanische Gashülle sinken sollte, wäre Cassini mit 5,5 Kilometern pro Sekunde noch im Anflug auf den Saturnmond – so hatten es die Missionsplaner festgelegt. Diese Bewegung bewirkt eine Frequenzverschiebung der übertragenen Radiowellen. Das ist der sogenannte Doppler-Effekt. In der Schulphysik wird er üblicherweise mit Schallwellen demonstriert: Die Sirene eines Krankenwagens klingt höher, wenn er sich rasant nähert, aber tiefer, wenn er sich wieder entfernt und die Schallwellen gleichsam auseinandergezogen werden. Da Smeds seine Simulation möglichst realistisch geplant hatte, berücksichtigte diese auch die Doppler-Verschiebung. Einer Intuition folgend, änderte er am nächsten Tag die Testprozedur – und siehe da: „Sobald ich den Doppler-Effekt auf Null setzte, erhielt ich ausgezeichnete Resultate”, erinnert sich Smeds. „Irgendetwas stimmte also nicht mit Cassinis Empfangssystem, und das Problem hing offenbar mit der Doppler-Verschiebung zusammen.”

EINE MISSION WIRD UMGEKREMPELT

Nach weiteren Tests in Darmstadt stand fest: Wenn Huygens gerettet werden sollte, musste der Beginn der Mission am Saturn komplett neu geplant werden. Eine 40-köpfige Taskforce von ESA und NASA fand nach monatelangen Beratungen schließlich eine Lösung. Die Relativgeschwindigkeit der beiden Sonden wurde deutlich gesenkt, der Doppler-Effekt hielt sich somit in vertretbaren Grenzen. Cassini musste dazu eine zusätzliche Saturn-Umrundung fliegen, erst später konnte er auf die geplante Umlaufbahn um den Saturn einschwenken. Der Preis dieser Maßnahmen: Die Distanz zwischen Cassini und Titan nach Huygens’ Landung musste von 1200 Kilometer auf 60 000 Kilometer vergrößert werden. Mit der neuen Bahngeometrie erfüllte Huygens 2005 seine Mission. Die Bilder und Daten erreichten via Cassini die Erde und berichteten von einer bizarren kältestarren Welt, die trotzdem überraschend vertraut wirkt (bild der wissenschaft 3/2009, „ Südsee auf Titan”). Vor 2030 wird keine Sonde mehr bis zum Titan vordringen. Huygens war also für mehrere Jahrzehnte die einzige Chance der Forscher.

Mit CryoSat ist es nun anders. Im zweiten Anlauf könnten die Klimatologen die sehnsüchtig erwarteten Messdaten doch noch bekommen. Sie sollen ermitteln, wie stark die globale Erwärmung die Pole zum Schmelzen bringt. Ob der Satellit nach dem hoffentlich gelungenen Start bei der Überwachung durch das Büro für Weltraummüll der ESA mitwirken wird, ist noch offen. Immerhin scheint der vorgesehene Orbit nicht sehr vermüllt zu sein. ■

THORSTEN DAMBECK ist Wissenschaftsautor und promovierter Physiker. Er berichtete in bild der wissenschaft zuletzt über Neutronensterne (bdw 7/2009).

von Thorsten Dambeck