In den letzten zehn Jahren ist die Zahl der erdumkreisenden Satelliten rasant gestiegen, sie hat sich auf rund 10.000 aktive Satelliten verdreifacht. Dazu haben vor allem die kommerziellen Megakonstellationen für orbitales Internet wie Starlink, Kuiper und Co beigetragen. Dazu kommen wachsende Mengen an Weltraumschrott: Rund 40.000 Schrottteile von mehr als zehn Zentimeter Größe und rund eine Million Schrottobjekte von mehr als einem Zentimeter Größe sind bisher bekannt. Trotz ihrer geringen Größe können diese rasend schnell fliegenden Fragmente bei einer Kollision schwere Schäden an aktiven Satelliten verursachen. Ein Zusammenstoß mit größeren Schrottteilen kann einen Satelliten sogar komplett zerstören.
Wie Satelliten und Weltraumschrott vermessen werden
Entsprechend wichtig ist eine möglichst genaue Überwachung. Sie findet mithilfe laserbasierter Messstationen auf der Erdoberfläche statt. Im Fokus steht dabei jedoch bisher die Entfernungsmessung zu Satelliten, denn sie dient dazu, beispielsweise das Erdschwerefeld, die Topografie der Erde oder auch das Erdmagnetfeld zu vermessen. “Rund 40 Laser-Ranging-Stationen (SLR) weltweit liefern diese Entfernungsmessdaten dafür an mehrere Datenzentren, die dann die hochpräzisen Flugbahnen und Bahnvorhersagen ermitteln”, erklären Michael Steindorfer und seine Kollegen vom Institut für Weltraumforschung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften in Graz. Dafür nutzen die Stationen Laser mit Pulsdauern von nur zehn Pikosekunden und Leistungen von 0,8 Watt. Diese Laserpulse werden von kleinen Reflektoren an den Satelliten zurückgeworfen und von den Messstationen aufgefangen. Aus der Laufzeit ergibt sich dann die Entfernung und Position des Satelliten. Die gängigen Messanlagen ermöglichen bis zu 2000 Einzelmessungen in der Sekunde und eine Messgenauigkeit der Positionsbestimmung von rund drei Millimetern, wie Steindorfer und sein Team erklären.
Anders ist dies jedoch bei Weltraumschrott: Weil die Schrottteilchen viel kleiner sind als Satelliten und keine Reflektoren besitzen, lassen sie sich nur durch stärkere Laser von rund 16 Watt Laserleistung orten. Diese besitzen meist eine längere Pulsdauer von rund drei Nanosekunden und können daher nur rund 200 Einzelmessungen pro Sekunde durchführen. Dadurch sinkt die Präzision der Positionsbestimmung auf nur rund einen Meter. Das Problem jedoch: “Bisher gibt es nur einige wenige Stationen weltweit, die Weltraumschrott-Überwachung mittels Laser durchführen können”, erklären die Forscher. Dadurch fehlt es auch an Messstationen für die globale koordinierte Weltraumschrottüberwachung. Eine Lösung dafür könnten nun Steindorfer und seine Kollegen gefunden haben. Sie haben eine Methode entwickelt und getestet, mit der Satelliten und Weltraumschrott mit demselben Laser und in höherer Genauigkeit als bisher erfasst werden können.
