Optische Aufklärung (Weltraumlage)



Seit der Entsendung des ersten Satelliten (Sputnik-1) im Jahre 1957 wurden in nahezu 5000 Starts mehr als 6000 Satelliten in eine Erdumlaufbahn befördert. Nur eine geringe Anzahl an Systemen (ca. 800) ist in Betrieb. Ein großer Teil (66%) der insgesamt in den Orbit verbrachten und katalogisierten Objekte ist inzwischen beim Wiedereintritt in die Atmosphäre verglüht. Zusätzlich zu den aktiven Satelliten mit einer Gesamtmasse von derzeit nahezu 6000 Tonnen befindet sich eine Vielzahl von Objekten in tiefen und hohen Umlaufbahnen um die Erde. Das US Space Surveillance Network (US SSN) ist das weltweit einzige Netzwerk zur Überwachung von Objekten im LEO und GEO. Es führt ca. 13 000 permanent getrackte und katalogisierte Objekte mit Abmessungen von 5 – 10 cm im LEO und 30 cm – 1 m im GEO. Dies bedeutet, dass ein großer Teil davon unkontrolliert und ohne eigenen Antrieb die Bahnen der aktiven Satelliten kreuzt. Zum einen nimmt nun das Risiko von Kollisionen zwischen großen Objekten ständig zu. Ein solches Ereignis ist im Februar 2009 aufgetreten (Kollision zwischen Iridium 33 und Kosmos-2251). Zum anderen produzieren diese Kollisionen bzw. auch die Fragmentierungen ausgedienter Oberstufen eine Vielzahl von Sekundärteilchen, welche prinzipiell eine Gefahr für aktive Satelliten und auch für die ISS darstellen. Dies liegt an den hohen Relativgeschwindigkeiten von etwa 10 km/s im Orbit. Selbst kleinere Trümmerstücke mit Durchmessern in der Größenordnung von 1 cm besitzen eine sehr große kinetische Energie und gefährden sowohl die aktuellen als auch noch geplante Weltraummissionen. Prinzipiell besteht die Gefahr, dass die Weltraumschrott-Population in unkontrollierter Weise zunimmt (sog. Kessler Syndrom), wenn nicht Kollisionen zwischen größeren Objekten vermieden werden.
 
Aus den angeführten Gründen ist es unabdingbar, dass die Bahndaten der als gefährlich eingestuften Objekte (mit Abmessungen größer 1 cm) bekannt sind und regelmäßig aktualisiert werden. Dies ermöglicht es, aktive Satelliten durch Ausweichmanöver vor Kollisionen zu schützen. Grundsätzlich basiert diese Bahndatenbestimmung auf der Verwendung von RADAR-Techniken, welche im Vergleich zu aktiven optischen Methoden ein hohes Maß an Ungenauigkeit bergen. Mit passiven optischen Methoden lässt sich Weltraumschrott sehr effektiv finden, aber auch hier sind wiederholte Messungen notwendig, um eine ausreichende Vorhersagbarkeit des Orbits zu erzielen.

Eine substantielle Steigerung der Effektivität bei der Bahndatenbestimmung von Debris-Objekten ist durch die Kombination von passiv-optischen Methoden (zum Finden) mit aktiv-optischen Methoden (zur Entfernungsmessung) zu erwarten. Zum Auffinden der Objekte bietet sich die Detektion von reflektiertem Sonnenlicht an - gleicht man die Erdrotation durch das Mitführen eines Teleskops mit großem Gesichtsfeld aus, so erscheinen natürliche Himmelskörper (Sterne, Sonnen, etc.) statisch, während Debris-Objekte bei passender Belichtungszeit eine Spur auf dem Kamerasensor hinterlassen. Diese etablierte Technik hat den Nachteil, dass - ähnlich wie bei RADAR-Messungen - mehrere Folgemessungen nach diversen Erdumläufen der Objekte notwendig sind, um den Orbit akkurat zu bestimmen, weil die Winkelbestimmung alleine zur geometrischen Rekonstruktion nicht ausreicht. Die zur Lösung dieses Problems nötige Abstandsinformation der Debris-Objekte kann durch sogenannte "Time of Flight" Messungen, also durch Laser-Ranging, gewonnen werden. Dazu soll ein Pulslaser hinreichend hoher Leistung auf die zuvor gefundenen Objekte gerichtet werden und durch hochpräzise Messung der Laufzeit der Pulse der Abstand dynamisch bestimmt werden. Diese Technik wird bereits zur Abstandsbestimmung kooperativer Objekte, etwa mit Retro-Reflektoren bestückte Satelliten, eingesetzt. Die enorme Herausforderung des hier beschriebenen Verfahrens besteht in dem zu erwartenden sehr geringen Reflexionsquerschnitt der Debris-Objekte und die mithin zu erwartenden geringen reflektierten Intensitäten, welche für die Abstandsbestimmung zur Verfügung stehen.

Am Institut für Technische Physik ist derzeit ein Demonstrator-Systems in der Entwicklung, mit welchem die laserbasierte (optischen) Detektion von Weltraumschrott (Space Debris) im Orbit möglich sein wird. Dabei wird in skalierten Dimensionen gearbeitet, so dass sowohl die geometrische Konstellation als auch die Gegebenheiten hinsichtlich der Photonendichten jenen in der späteren Anwendung des Systems entsprechen. Im Anschluss sind Tests des Demonstrators an echten unkooperativen Objekten im Orbit vorgesehen.

 

Prinzip Laser Ranging und Tracking auf Weltraumschrott


 

Plattform zur Beobachtung und Überwachung von Weltraumschrott

Kontakt
Wolfgang Riede
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Institut für Technische Physik
, Aktive optische Systeme
Tel: +49 711 6862-515

Fax: +49 711 6862-788

E-Mail: Wolfgang.Riede@dlr.de
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