Ein schrilles, hektisches Piepgeräusch dringt durch den Beobachtungsraum. Das unüberhörbare Zeichen dafür, dass ZIMLAT, das 1‑Meter‑Laser- und Astrometrie‑Teleskop auf dem Dach, Kontakt zu einem Satelliten aufgenommen hat. Thomas Schildknecht, Direktor des Observatoriums, schaut dem Beobachter über die Schulter, der am Computer die Laufzeitmessungen überwacht. Mit jedem reflektierten Laserpuls, den ZIMLAT empfängt, erklingt ein Piepen, reiht sich ein weiterer Punkt am Bildschirm auf. Die Bahn des Satelliten beginnt sich abzuzeichnen. «Wir sind mittlerweile die produktivste Beobachtungsstation auf der Nordhalbkugel, was die Lasermessungen betrifft», sagt Schildknecht. Etwas über 70 Satelliten werden in Zimmerwald mittels Laser Ranging, einer der wichtigsten Methoden der Satellitengeodäsie, beobachtet.
Schlüssel für die Vermessung der Erde
Für die Satellitengeodäsie, wie sie auch von der gleichnamigen Gruppe am Astronomischen Institut der Universität Bern (AIUB) betrieben wird, sind solche Ortungsdaten eine wichtige Forschungsgrundlage. Denn Position und Umlaufbahn von Satelliten sind die Schlüsselgrössen für die Vermessung der Erde. Aus ihnen lassen sich die Lagekoordinaten von Punkten auf der Erde bestimmen und Verschiebungen aufgrund der Plattentektonik messen. Auch Meeresspiegelschwankungen können nachgewiesen werden, wenn man einen Satelliten mit Altimeter verfolgt, der wiederholt aus bekannter Position die Höhe über dem Meer misst. Selbst Störfaktoren, die sich auf die Umlaufbahn der Satelliten auswirken, macht sich die Satellitengeodäsie zunutze. Aus Bahnabweichungen, die unter anderem ein Ausdruck des unregelmässigen Erdschwerefelds sind, lässt sich beispielsweise auf die Gestalt der Erde, das Geoid, schliessen.
Das Piepen hat aufgehört. «Das Teleskop richtet sich gerade neu aus, um den nächsten Satelliten ins Visier zu nehmen», erklärt der Beobachter. ZIMLAT ist komplett computergesteuert: Ein Programm gibt vor, wann welcher Satellit angepeilt wird. Drehung und Ausrichtung des Teleskops sind vorgegeben und erfolgen automatisch. Ebenso die Schliessung der Teleskopkuppel bei schlechtem Wetter. Manchmal muss der Beobachter aber auch ins Programm eingreifen. Etwa dann, wenn in der angepeilten Himmelsrichtung gerade dicke Wolken vorbeiziehen – sie sind für den Laserstrahl ein Hindernis. Deswegen, und auch, um bei allfälligen Störungen eingreifen zu können, hat rund um die Uhr, 365 Tage im Jahr jemand Dienst. Ziel ist, dass die Lasermessungen, wenn es das Wetter zulässt, ununterbrochen laufen. Auch nachts ist ZIMLAT in Betrieb. Dann werden aber nicht nur Satelliten beobachtet, sondern auch das, was von ihnen irgendwann einmal übrig bleibt: jede Menge Schrottteile.
Zehnmal mehr Schrott als aktive Satelliten
Weltraumschrott entsteht zum Beispiel, wenn Trägerraketen explodieren oder Satelliten durch Kollisionen beschädigt werden. Und er wird für die Raumfahrt zunehmend zum Problem. Mehrfach kam es in den vergangenen Jahrzehnten zu Kollisionen von aktiven Satelliten mit Weltraumschrott. Um dieses Risiko zu minimieren, werden die Schrottteile seit Anfang der 1990er‑Jahre von Wissenschaftlern untersucht und katalogisiert.
«Offiziell geht man heute von rund 15'000 Objekten mit einem Durchmesser über 10 Zentimeter aus», sagt Schildknecht. Zehnmal mehr als aktive Satelliten. «In Wahrheit sind es aber noch viel mehr.» Sie fehlen in den Aufzeichnungen, weil man sie nur schwer sieht – oder in manchen Fällen nicht sehen darf. «Es versteht sich von selbst, dass Schrott von geheimen militärischen Satellitenmissionen nicht aufgeführt wird», meint Schildknecht vielsagend. Hinzu kommen die mehreren Hunderttausend Bruchstücke, die kleiner als 10 Zentimeter sind.
Versuchslabor für die Schrott-Detektion
Licht ins Dunkle dieses wachsenden Weltraum‑Müllteppichs zu bringen, ist der Forschungsschwerpunkt der Gruppe Optische Astronomie des AIUB. Kaum zehn Mann stark, spielt das Team unter der Leitung von Thomas Schildknecht international eine führende Rolle in Sachen Weltraumschrott. «Als kleine Forschungsgruppe mit bescheidenen Mitteln muss man sich auf seine Stärke konzentrieren», ist Schildknecht überzeugt. «Weltraumschrott ist unsere Nische, hier können wir einen wesentlichen Beitrag leisten.» So haben die Berner Astronomen im Auftrag der ESA und im Rahmen internationaler Kooperationen ausgefeilte Software‑Produkte und Algorithmen für die Ortung und Bestimmung von Weltraumschrott entwickelt. «Das Observatorium Zimmerwald ist für uns sehr wertvoll, weil wir unsere Produkte hier in der Anwendung testen können.»
«Die weissen Punkte können Sterne, Satelliten oder auch Schrott sein. Erst Bildbearbeitungsalgorithmen machen eine Unterscheidung möglich.»
Die Ortung von Weltraummüll ist um einiges schwieriger und aufwändiger als jene von Satelliten. Die Schrottteile sind mit wenigen Ausnahmen zu klein, um Laserpulse zu reflektieren. Kommt hinzu, dass man ihre Umlaufbahn zunächst nicht kennt – wo also mit der Suche beginnen? «Es ist eine ziemliche Sisyphusarbeit», sagt Schildknecht und öffnet auf seinem Computer ein Bild. Eine stark vergrösserte Aufnahme vom schwarzen Nachthimmel mit einigen verschwommenen weissen Punkten. Das Bild stammt von ZIMLAT, das nachts neben dem Lasermessbetrieb auch für optische Beobachtungen genutzt wird. «Die weissen Punkte können Sterne, Satelliten oder auch Schrott sein», erklärt der Astronom. «Erst Bildbearbeitungsalgorithmen machen eine Unterscheidung möglich.»
Nacht für Nacht schiessen ZIMLAT und sein kleiner Kollege, ein 50‑Zentimeter‑Teleskop auf der gegenüberliegenden Ecke des Observatoriums, mehrere Tausend Bilder. Und Nacht für Nacht kommen darauf neue, noch nicht katalogisierte Schrottteile zum Vorschein. Schildknecht: «Wenn man in einer Bildsequenz analysiert, wie sich ein solches Objekt im Verhältnis zu den Sternen fortbewegt, kann man seine Umlaufbahn und Flughöhe berechnen.» Das sind wichtige Parameter, um ein Schrottteil in Zukunft wiedererkennen zu können. «Da braucht es einige Formeln aus der Himmelsmechanik und der Wahrscheinlichkeitsrechnung, um dieses Problem zu lösen», weiss Schildknecht.
Detektivarbeit auf Distanz
Doch damit nicht genug: Mit den Algorithmen, welche die Berner Forscher entwickelt haben, lassen sich aus den Bildinformationen der verschwommenen weissen Punkte verschiedene Objekteigenschaften ableiten – und das in einer Entfernung von bis zu 36'000 Kilometern.
Zum Beispiel die Eigenbewegung eines Schrottteils. «Dazu schauen wir uns seine Lichtkurve an», sagt Schildknecht. «Diese zeigt, wie sich die Leuchtkraft des Objekts über einen bestimmten Zeitraum verändert.» Er deutet auf die Grafik auf seinem Bildschirm. «Hier sieht man zum Beispiel, dass die Kurve einem gleichmässigen Auf und Ab folgt: Das Objekt erscheint abwechselnd hell und dunkel. Daraus schliessen wir, dass es regelmässig rotiert.» Ein Objekt, das unkontrolliert taumelt, hätte hingegen eine ziemlich chaotische Lichtkurve. «Wenn wir zusätzlich zur Eigenbewegung nun auch noch das Material kennen, aus dem ein Schrottteil besteht, können wir im Idealfall sogar sagen, um welche Satellitenkomponente es sich handelt.»
Um das Material zu bestimmen, wenden Astronomen die sogenannte Spektralanalyse an. Die Forscher messen, in welchen Frequenzbereichen ein Schrottteil wie stark strahlt, und vergleichen diesen elektromagnetischen Fussabdruck mit den Spektralkurven bekannter, in der Raumfahrt häufig verwendeter Materialien. So einfach wie im Labor ist die Spektralanalyse von Objekten im Weltraum jedoch nicht. Über diese grosse Entfernung wirken zahlreiche Störfaktoren, welche die Messungen der Spektralkurven verfälschen.
«Es gibt viele Ansätze, um den Weltraummüll einzusammeln. Aber es wird noch lange dauern, bis diese Ideen reif sind. Bis dahin sollte die Raumfahrt besser mehr dafür tun, das All nicht noch mehr zuzumüllen.»
Im Rahmen verschiedener Forschungsarbeiten sind die Berner Astronomen daran, ihre Analyse‑Algorithmen stetig zu verbessern und Modelle für verschiedene Kategorien von Weltraumschrott zu entwickeln. Nicht nur um Kollisionen zu vermeiden, sondern auch um herauszufinden, welche Teile von Satelliten und Trägerraketen besonders häufig verloren gehen – und entsprechend besser verbaut werden müssen. Auch das Beseitigen des Weltraumschrotts ist nur möglich, wenn man die Eigenschaften der Bruchstücke kennt. «Es gibt viele Ansätze, von Greifarmen bis zu Netzen, um die Müllteile einzusammeln. Aber das ist technisch sehr anspruchsvoll und teuer. Es wird noch lange dauern, bis diese Ideen reif sind», meint Schildknecht. «Bis dahin sollte die Raumfahrt besser mehr dafür tun, das All nicht noch mehr zuzumüllen.» Mit ihren Entwicklungen schaffen die Berner Forscher die Grundlage, um das Problem in die richtige Bahn zu lenken.
