Satelliten sollen seltene Wiedereintrittsdaten sammeln

Wenn Satelliten irgendwann wieder auf die Erde zurückfallen, verglühen sie meist aufgrund der Reibung in der Atmosphäre. Wissenschaftliche Daten über diesen atmosphärischen Wiedereintrittsprozess werden dringend benötigt. Mit diesen Datensollen zukünftige Satelliten so konstruiert werden, dass sie am Ende ihrer Mission schnell, sicher und nachhaltig verglühen – und damit Risiken am Boden und im Weltraum reduzieren. Die Europäische Weltraumorganisation ESA hat ihre beiden verbleibenden Cluster-Satelliten erfolgreich manövriert, um sicherzustellen, dass sie beide bei ihrem Wiedereintritt in die Atmosphäre am 31. August und 1. September 2026 von einem Flugzeug aus beobachtet werden können.

Bild: ESA - CC BY-SA 3.0 IGO

„Zwei Satelliten zu bewegen, um sie mit einem Flugzeug zu treffen, klingt extrem, aber die einzigartigen Wiedereintrittsdaten, die wir sammeln werden, sind es wert, diese schwierige Begegnung über einem abgelegenen Meeresabschnitt zu orchestrieren“, sagt Beatriz Jilete, Ingenieurin für Weltraummüllsysteme bei der ESA. „Die verbleibenden Cluster-Satelliten 3 und 4 mit den Spitznamen Samba und Tango waren bereits auf einer Flugbahn, um 2024 sicher über einem abgelegenen Teil des Südpazifiks zu verglühen. Sie werden nacheinander im Abstand von etwa 24 Stunden wieder in die Atmosphäre eintreten.

Das Problem ist, dass wir zwischen den Wiedereintritten Zeit brauchen, um zurück zum Festland zu fliegen, aufzutanken, den Pilotinnen und Piloten, Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern eine Pause zu gönnen und dann zum zweiten Wiedereintritt wieder loszufliegen. Um sicherzustellen, dass wir das schaffen, sind wir sehr froh, dass das Missionsteam die Flugbahn so angepasst hat, dass die Satelliten etwas näher beieinander liegen und mit einem kleinen Flugzeug vom selben Flughafen aus erreichbar sind.“

Daten zum Wiedereintritt werden dringend benötigt

Das Verständnis darüber, wie Satelliten beim Eintritt in die Atmosphäre zerbrechen, trägt dazu bei, sicherere und nachhaltigere Raumfahrzeuge zu bauen.

„Mit besseren Daten darüber, wann und wie genau sie sich erhitzen, zerbrechen und welche Materialien überleben, können Ingenieure Satelliten entwickeln, die vollständig verbrennen, sogenannte Design-for-Demise-Satelliten“, sagt Stijn Lemmens, Draco-Projektmanager bei der ESA. „Aber solche Wiedereintrittsdaten sind sehr schwer zu sammeln.“

Wiedereintritte sind aufgrund der Heftigkeit des Vorgangs und der schwer erreichbaren Lage in der oberen Atmosphäre in etwa 80 Kilometer Höhe nur schwer aus der Nähe zu beobachten. Wiedereintritte finden in zu großer Höhe statt, um sie mit Ballons zu beobachten und Proben zu entnehmen, Satelliten in der Umlaufbahn sind zu weit entfernt, um viel zu sehen, und normalerweise sind die Wiedereintrittsorte zu unvorhersehbar, um sie vom Boden oder aus der Luft zu beobachten. 

Clusters Chance für die Wiedereintrittsforschung 

Mit den „gezielten Wiedereintritten“ des Cluster-Quartetts schafft die ESA einen Präzedenzfall für einen verantwortungsvollen Ansatz zur Verringerung des immer größer werdenden Problems von Weltraummüll und unkontrollierten Wiedereintritten auch aus weniger häufig genutzten Umlaufbahnen. Dies zeigt, dass ältere Missionen auf sicherere und nachhaltigere Weise entsorgt werden können, als zum Zeitpunkt ihrer Konzeption für möglich gehalten wurde.

„Die vier Cluster-Satelliten sind identisch. Indem wir ihren Wiedereintritt in die Atmosphäre an einem vorhersehbaren Ort mit leicht unterschiedlichen Flugbahnen und unter verschiedenen Wetterbedingungen beobachten, erhalten wir die einmalige Gelegenheit, ein wertvolles Wiedereintrittsexperiment zur Untersuchung des Zerfalls von Satelliten durchzuführen“, sagt Beatriz. „Der einzige Nachteil für uns ist, dass die Notwendigkeit, die Satelliten über abgelegenen Teilen des Ozeans sicher zu entsorgen, es so viel schwieriger macht, dorthin zu gelangen und die Wiedereintritte von unten zu beobachten.“

Das Team ließ sich davon jedoch nicht abschrecken. Der erste der vier Cluster, der am 8. September 2024 wieder in die Atmosphäre eintrat, Cluster 2 oder Salsa, wurde von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern an Bord eines Flugzeugs beobachtet. Sie flogen stundenlang, um den Rand der Flugverbotszone direkt um den Ort des Wiedereintritts zu erreichen.

„Der Wiedereintritt wurde von verschiedenen Instrumenten an Bord erfasst, auch wenn die Vorhersagen leicht daneben lagen. Es war eine angespannte Zeit, bis die Sichtung endgültig bestätigt werden konnte“, sagt Stijn. „Wenn wir dieses Beobachtungsexperiment mit den aus Salsa gewonnenen Erkenntnissen noch zweimal wiederholen, erhalten wir eine zusätzliche Dimension der Daten, die Vergleiche und die Ermittlung von Mustern ermöglicht.“

Verschiebung der Satelliten

Um diesen Beitrag zur Wiedereintrittsforschung zu ermöglichen, haben sich mehrere Teams zusammengetan, um Samba und Tango zu bewegen. Wie bei jedem Manöver hat das Flugdynamikteam genau berechnet, wie sie die Wiedereintrittsorte näher zusammenbringen können. Samba wird nun weiter östlich herunterkommen, während Tango etwas weiter westlich herunterkommt, um dem Team im Flugzeug genügend Zeit zu geben, zwischen den Wiedereintrittsereignissen zurückzufliegen, aufzutanken und die Batterien wieder aufzuladen.

Nachdem das Weltraummüllteam grünes Licht gegeben hatte, dass keine Kollisionen zu befürchten waren, übernahm das Flugkontrollteam. Es sendete den Befehl an die Satelliten und beobachtete einige Tage später, wie die Raumfahrzeuge am 19. und 20. Januar die kleinen Zündungen durchführten, um ihre Flugbahnen wie geplant anzupassen.

„Eine interessante Möglichkeit könnte auch sein, dass die Cluster-Satelliten selbst bis kurz vor ihrem Ende Bericht erstatten. Ihre Energieversorgung funktioniert besser als bei den ersten beiden Clustern, die wieder in die Atmosphäre eingetreten sind, sodass wir hoffen, dass wir diesmal länger in Kontakt bleiben und mehr Daten sammeln können“, sagt Bruno Sousa, Cluster-Betriebsleiter bei der ESA. „Die ersten beiden Satelliten, die wieder in die Atmosphäre eintraten, gingen beim Passieren ihres letzten Perigäums vor dem Wiedereintritt in den Sicherheitsmodus, weil ihre Sonnenkollektoren überhitzt waren. Die Kollektoren von Samba und Tango sind nicht so stark beschädigt. Wenn sie während ihres letzten Perigäum-Durchgangs aktiv bleiben, können wir vielleicht wertvolle Daten über die Temperaturen der Satelliten sammeln, wenn sie bis auf 110 Kilometer Tiefe absinken.“

Noch besser: Dracos Blick von innen

Das nächste Ziel der Wiedereintrittsspezialistinnen und -spezialisten der ESA ist es, mit ihrer Wiedereintrittsmission Draco einen Wiedereintritt von innen zu beobachten und genau zu sehen, was während des gesamten Wiedereintrittsprozesses wann, wie und wo genau passiert.

Draco soll 2027 starten und wird einen feurigen Wiedereintritt durchlaufen, mit dem einzigen Ziel, genau zu dokumentieren, was mit dem Satelliten passiert. Mit über zweihundert Sensoren, vier Kameras und einer unzerstörbaren Kapsel, die die gesammelten Daten sicher aufbewahrt, wird Draco einen einzigartigen Einblick in den zerstörerischen Prozess bieten.

„Um das Ganze abzurunden, werden unsere Wiedereintrittswissenschaftlerinnen und -wissenschaftler bereit sein, erneut in ein Flugzeug zu steigen, um das Ereignis von unten zu beobachten. Mit drei Übungsläufen im Rücken wird das Team in der Lage sein, die Beobachtungen aus dem Flugzeug mit dem zu verknüpfen, was genau zu diesem Zeitpunkt im Draco geschieht“, sagt Stijn.

„Mit den Daten aus den Wiedereintritten von Cluster und Draco werden wir die Wiedereintrittsmodelle verbessern. Dies hilft dabei, besser vorherzusagen, wo Objekte fallen werden und wie sie sich auf die Atmosphäre auswirken, und wir können bessere Satelliten bauen, um die Wahrscheinlichkeit weiter zu verringern, dass Teile den Boden erreichen und Risiken für Menschen oder Infrastruktur darstellen.“

Quelle (Englisch): https://www.esa.int/Space_Safety/Space_Debris/Moving_satellites_to_meet_a_plane_for_rare_reentry_data