Eine Illustration zeigt die Sonne, wie sie einen koronalen Massenauswurf ausstößt (Bildnachweis: NASA)
Satelliten in einer niedrigen Erdumlaufbahn (LEO) können bei schlechtem Weltraumwetter Hunderte von Meilen von ihrer erwarteten Flugbahn abweichen. Das Problem betrifft die Internationale Raumstation, die chinesische Raumstation Tiangong und viele Erdbeobachtungssatelliten, die unseren Planeten aus der Nähe betrachten müssen.
Experten zufolge erhöht diese Positionsunsicherheit das Risiko gefährlicher Kollisionen in der Umlaufbahn, die das Problem des Weltraummülls verschärfen und den Raum um die Erde unsicher machen könnten.
„In Höhen von 500 Kilometern [310 Meilen] können wir die Position unserer Satelliten mit einer Genauigkeit von 2 Zentimetern [0,8 Zoll] bestimmen“, sagte Alex Saltman, CEO des in Kalifornien ansässigen Satellitenunternehmens GeoOptics, das meteorologische Messungen der oberen Erdatmosphäre durchführt, gegenüber kosmischeweiten.de. „Aber in niedrigeren Höhen wird es zu einem großen Problem.“
Je niedriger die Umlaufbahn, desto größer die Ungenauigkeit. Das liegt daran, dass das Weltraumwetter die Dichte der oberen Atmosphäre der Erde beeinflusst. Da die Dichte der Atmosphäre naturgemäß mit der Höhe abnimmt, sind die durch das Weltraumwetter verursachten Schwankungen näher an der Erde größer. Je höher die Dichte, desto größer ist der Luftwiderstand, der die Satelliten abbremst und sie in Richtung Erde sinken lässt. In den niedrigsten Höhen können Satelliten Hunderte von Kilometern von ihrer vorausberechneten Bahn abweichen, wenn zu viel Sonnenwind von der Sonne weht, erklärte David Vallado, ein leitender Astrodynamiker am Commercial Space Operations Center (COMSPOC), gegenüber kosmischeweiten.de.
Am stärksten betroffen sind Höhen von etwa 250 Meilen (400 km) und darunter. Genau in diesen Orbitalregionen fliegen einige der wertvollsten Raumfahrzeuge. Die Internationale Raumstation kreist in einer Höhe von 250 Meilen über der Erde, und Tiangong befindet sich nur geringfügig höher, nämlich in einer Höhe von 260 Meilen (425 km). Forscher haben zunehmend ein Auge auf diese sehr niedrigen Erdumlaufbahnen geworfen, weil sie einen detaillierten Blick auf die Erde ermöglichen, und es gibt bereits Pläne für neue Missionen, die in diesem Raum operieren sollen.
„Je tiefer man in die Atmosphäre eindringt, desto besser kann man bestimmte Messungen durchführen“, so Saltman. „Zum Beispiel werden Radarmessungen viel, viel besser, je tiefer man kommen kann.
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Wenn den Satelliten der Treibstoff ausgeht, der ihnen hilft, ihre Höhe zu halten, beginnen sie, spiralförmig abwärts zu fliegen. Auf ihrem Weg dorthin durchqueren sie diese Region höherer Unsicherheit, die eine Bedrohung für operative Raumfahrzeuge darstellt. Die Flugbahnen von Satelliten und Weltraummüll werden viele Tage im Voraus anhand von Messungen durch bodengestützte Radare und optische Sensoren bestimmt. Ein starker Sonnenwindstoß kann diese Vorhersagen jedoch völlig über den Haufen werfen. Dies stellt die Betreiber von Raumfahrzeugen vor große Herausforderungen, da sie nur schwer abschätzen können, wie nahe ihr Raumfahrzeug an andere Objekte herankommen kann.
„Das ist eine ultimative Frage, denn der Betreiber muss entscheiden, ob er ein Kollisionsvermeidungsmanöver durchführt oder nicht“, so Dan Oltrogge, leitender Wissenschaftler bei COMSPOC gegenüber kosmischeweiten.de. „Wenn sie sich für ein Manöver entscheiden und sich das Weltraumwetter ändert, verändert das die Widerstandsprofile und wo und wie nahe die Dinge zusammenkommen. Das kann das Manöver zunichte machen und das Risiko sogar erhöhen.“
Satellitenbetreiber planen Kollisionsvermeidungsmanöver mehrere Tage und viele Umlaufbahnen im Voraus. Aber die Weltraumwettervorhersager wissen nur sehr begrenzt, was die Sonne als Nächstes tun wird. Koronale Massenauswürfe (CME) – gewaltige Ausbrüche überhitzten Plasmas aus der oberen Atmosphäre der Sonne – explodieren ohne Vorwarnung aus Sonnenflecken und brauchen zwei oder drei Tage, um die Erde zu erreichen. Darüber hinaus können Wissenschaftler die Stärke eines CME in der Regel nur etwa 30 Minuten vor seinem Auftreffen auf die Erde messen, wenn er das Solar and Heliospheric Observatory (SOHO) passiert, eine von der Europäischen Weltraumorganisation und der NASA gemeinsam betriebene Raumsonde, die etwa 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt ist.
„Bei einer Warnung, die eine Stunde im Voraus herausgegeben wird, reicht das wahrscheinlich nicht aus, um die Einsatzleitung zu veranlassen, das Manöver zu planen“, sagte Vallado.
Und es ist nicht nur das tägliche Verhalten der Sonne, das nicht gut verstanden wird, fügte Vallado hinzu. Die Anzahl der Sonnenflecken, Sonneneruptionen und CMEs, die von dem Stern ausgehen, variiert auf längeren Zeitskalen und folgt einem etwa 11-jährigen Zyklus, der von einem Minimum über ein Maximum zum nächsten Minimum schwankt. Das Problem ist, dass jeder Sonnenzyklus eine andere Stärke hat und die Betreiber von Raumfahrzeugen daher nicht vorausplanen können, da sie nicht vorhersagen können, wie stark das Weltraumwetter während ihrer nächsten Mission sein wird. Ein aktiverer Zyklus bedeutet, dass die Raumfahrzeuge einem größeren Luftwiderstand ausgesetzt sind, was dazu führt, dass ihnen der Treibstoff schneller ausgeht und sie die Umlaufbahn früher verlassen müssen. Die Unterschiede können beträchtlich sein.
„Im Allgemeinen planen wir eine Lebensdauer von fünf Jahren für die Satelliten“, sagte Saltman. „Aber das variiert. Es ist unwahrscheinlich, dass sie weniger als drei Jahre beträgt, aber aufgrund der Schwankungen [der Sonnenaktivität] könnte sie bis zu 10 oder 12 Jahre betragen.“
Saltman fügte hinzu, dass GeoOptics einen operativen Satelliten aufgrund von Weltraumwetter verloren hat. In diesem Fall war nicht der Luftwiderstand schuld, sondern die durch den Sonnenwind verursachte erhöhte Strahlung, die die Elektronik des Satelliten beschädigte.
„Es ist schwer zu sagen, ob der Sonnenfleckenzyklus dafür verantwortlich war, aber wir haben solche Probleme noch nie erlebt“, sagte Saltman.
Wissenschaftler erwarten, dass der aktuelle Sonnenzyklus, der 25. seit Beginn der Aufzeichnungen, Ende dieses Jahres sein Maximum erreichen wird. Seit dem letzten Maximum im Jahr 2014 hat sich die Zahl der Satelliten in der Umlaufbahn versiebenfacht. Der Weltraum um die Erde ist jetzt geschäftiger denn je, und Dutzende neuer Raumfahrtunternehmen, die seit dem letzten Mal, als das Weltraumwetter wirklich bösartig war, dazugekommen sind, werden lernen müssen, damit zu leben. Weltraumwetterforscher und Experten für Satellitenflugbahnvorhersagen arbeiten hart daran, ihnen zu helfen. Aber die Dinge könnten in den nächsten Jahren ein wenig kompliziert werden.
