Prinzip Laser Ranging und Tracking auf Space Debris
Die stetige Zunahme der Anzahl an Weltraummissionen hat zu einer steigenden Population von sogenanntem „Weltraumschrott“ („Space Debris“) geführt. Dieser Weltraumschrott resultiert aus Explosionen von Raketenoberstufen, Oberflächendegradationen aufgrund der harschen Bedingungen im Weltraum sowie Kollisionen von Satelliten.
Durch Radar-gestützte und passiv-optische Observationen und Computersimulationen ist die Ermittlung der höhenabhängigen Verteilung der Weltraumschrott-Objekte möglich. Im LEO (Low Earth Orbit) bei 900 km und 1400 km sowie im GEO (Geosynchronous Orbit, 35800 km Höhe) ist eine Anhäufung der Objekte erkennbar. Hieraus ergibt sich eine erhöhte Gefährdung der dort befindlichen Infrastruktur wie Kommunikationssatelliten im LEO. Übersteigt die Population einen kritischen Schwellwert, droht ein Kaskadeneffekt, bei dem sich die Schrott-Objekte durch Kollisionen untereinander weiter vermehren.
Ein erster Schritt zur Vermeidung von Schäden an Satellitensystemen ist daher zum einen die exakte und umfassende Erfassung der Bahndaten aller kritischen Objekte mit Abmessungen über 1 cm. Aufgrund der im Orbit wirkenden, nicht vorhersagbaren Einflüsse auf die Bahndaten wie atmosphärische Reibung oder solare Partikelstrahlung müssen die Bahndaten bei drohenden Kollisionen aktualisiert werden.
Um diese Bahndaten mit hoher Effizienz und hoher Genauigkeit ermitteln zu können, werden am Institut für Technische Physik laserbasierte Methoden zur Abstandsbestimmung mit passiv-optischer Nachführung kombiniert. Debris-Objekte werden zunächst durch solare Beleuchtung mit einem Beobachtungsteleskop erfasst und anschließend aktiv beleuchtet. Hierzu werden Methoden für die Zielverfolgung und für die Kompensation der atmosphärischen Störungen entwickelt. Simulationsrechnungen für die Laserstrahlpropagation in turbulenter Atmosphäre unterstützen die Auslegung eines Systems. Diese Methoden werden anschließend auf einer Freistrahlstrecke unter horizontaler Propagation getestet. Parallel hierzu verläuft die Entwicklung einer geeigneten Laserstrahlquelle mit hoher Strahlqualität, Pulsenergie und Repetitionsraten im kHz Bereich. Nach erfolgreichem Funktionsnachweis im Labor wird dieses System feldfähig gemacht.
Ziel ist zunächst der Aufbau und Betrieb einer „Space Debris Monitoring Platform“. Später, wenn die entsprechenden Hochleistungslaser zur Verfügung stehen, soll der Weltraumschrott durch lasergestützte Verfahren reduziert werden.