1957 startete die Sowjetunion den ersten künstlichen Satelliten in die Umlaufbahn. Diese Mission war bekannt als Sputnik- 1 "Satellit" auf Russisch, ein einfacher Satellit zur Übertragung von Funkimpulsen. In den folgenden dreiundsechzig Jahren haben Raumfahrtagenturen und kommerzielle Startanbieter unzählige Starts in den Weltraum durchgeführt.
Bisher war die überwiegende Mehrheit dieser Starts für den Einsatz von Satelliten im Low Earth Orbit LEO vorgesehen. Der Zweck dieser Satelliten reichte von Telekommunikation über wissenschaftliche Forschung, Erdbeobachtung, Wetterverfolgung bis hin zu militärischen Operationen undNavigation.
Ursprünglich wurden diese Satelliten nur von Regierungsorganisationen und Streitkräften verwendet, die sich auf die Satelliten stützten, um wichtige Dienste bereitzustellen. In den letzten Jahrzehnten wurde der Satelliteneinsatz jedoch vom kommerziellen Raumfahrtsektor auch bekannt als NewSpace dominiertNutzung neuer Technologien und geringerer Kosten für den Start einer größeren Anzahl von Satelliten.
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Dies hat natürlich zu wachsenden Bedenken geführt, dass die Bahnen im Orbitalraum zu voll werden. Dies ist nicht zuletzt auf die wachsende Anzahl nicht funktionsfähiger Satelliten und Orbitalabfälle auch bekannt als "Weltraummüll" zurückzuführen, die dort oben herumschweben.
Und mit so vielen neuen Satellitenkonstellationen oder Mega-Konstellationen, die für die Zukunft geplant sind - wie Starlink und andere Breitband-Internet-Satellitendienste - das Problem wird mit der Zeit immer dringlicher.
Einige ernüchternde Zahlen
Satelliten und andere Objekte im Orbit werden von verschiedenen Organisationen wie der Europäischen Weltraumorganisation ESA überwacht. Space Debris Office SDO - befindet sich im European Space Operations Center ESOC in Darmstadt.
Die NASA ist auch für die Überwachung der Trümmer in der Umlaufbahn verantwortlich. Astromaterials Research & Exploration Science ARES Orbital Debris Program Office . Es verfolgt auch mögliche Gefahren in Verbindung mit dem Verteidigungsministerium DoD Joint Space Operations Center JSpOC.
Es gibt auch die Inter-Agency Space Debris Coordi Nationalkomitee IADC, das 1993 gegründet wurde, um Mitgliedern die Koordinierung von Fragen im Zusammenhang mit Weltraummüll zu ermöglichen. Heute umfasst es die NASA, die ESA Roscosmos und die nationalen Raumfahrtagenturen Chinas CNSA , Kanada CSA , Japan JAXA , Südkorea KARI , Indien ISRO und Ukraine NSAU .
- 34.000 Objekte mit einem Durchmesser von mehr als 10 cm
- 900.000 Objekte mit einer Größe zwischen 1 cm und 10 cm ~ 0,4 bis 4 Zoll
- 128.000.000 Objekte zwischen 1 mm und 1 cm
Die schiere Menge an Trümmern ist erstaunlich. Und während einige denken, dass Objekte, die nicht größer als ein Schmutzfleck sind, kein Grund zur Sorge sind, möchten sie vielleicht zweimal überlegen. Aufgrund der Rotationsrate der Erde können Trümmer in der UmlaufbahnGeschwindigkeiten von bis zu 56.000 km / h erreichen.
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Bei dieser Geschwindigkeit kann auch das kleinste Stück Müll schweren Schaden zufügen auf einem einsatzbereiten Raumfahrzeug, einer Raumstation oder einem Satelliten. Forscher am MIT haben nachgebildet, wie dies für Astronauten aussieht, indem sie Mikropartikel gegen eine harte Oberfläche geschossen und die Ergebnisse mit einer Hochgeschwindigkeitskamera aufgezeichnet haben.
Sie fanden heraus, dass Partikel mit einer Größe von nur 10 Mikrometern 0,01 mm und einer Geschwindigkeit von 3600 km / h ~ 2240 mph zu winzigen Kraterbildung auf einer Metalloberfläche führen würden, einschließlich Schmelzen und Erosion.
In der Zwischenzeit können Kollisionen zwischen größeren Objekten zu einer weiteren großen Gefahr führen - katastrophalen Auseinanderbrechen, die zu noch mehr Schmutz führen. Dieses Phänomen ist bekannt als ...
Kessler-Syndrom
Dieses Phänomen, auch als Kessler-Effekt bekannt, hat seinen Namen von Don J. Kessler, einem amerikanischen Astrophysiker und ehemaligen NASA-Wissenschaftler, der sich auf die Untersuchung von Weltraummüll spezialisiert hat. 1978 veröffentlichte er einen Artikel mit dem Titel " Kollisionsfrequenz künstlicher Satelliten: Die Bildung eines Trümmergürtels . "
In diesem Artikel beobachtete Kessler, dass, sobald Weltraummüll eine bestimmte kritische Masse im Orbit erreicht hat, eine katastrophale Kettenreaktion auftreten kann - bei Kollisionen entstehen mehr Trümmer, die zu mehr Kollisionen führen, und so weiterLEO eine viel zu gefährliche Umgebung für betriebsbereite Satelliten und Weltraumforschung.
2009 Kessler kommentierte wie sich das von ihm vorhergesagte Phänomen aktiv entfalten würde :
"Aggressive Weltraumaktivitäten ohne angemessene Sicherheitsvorkehrungen könnten die Zeit zwischen Kollisionen erheblich verkürzen und eine unerträgliche Gefahr für zukünftige Raumfahrzeuge darstellen. Zu den umweltgefährdendsten Aktivitäten im Weltraum gehören große Konstellationen, wie sie ursprünglich von der Strategic Defense Initiative Mitte des Jahres vorgeschlagen wurden-1980er Jahre, große Strukturen wie jene, die Ende der 1970er Jahre für den Bau von Solarkraftwerken in der Erdumlaufbahn in Betracht gezogen wurden, und Antisatellitenkriegsführung unter Verwendung von Systemen, die in den letzten 30 Jahren von der UdSSR, den USA und China getestet wurden. Solche aggressiven Aktivitäten könnteneine Situation einrichten, in der ein einzelner Satellitenausfall in einem Zeitraum von viel weniger als Jahren zu Kaskadenausfällen vieler Satelliten führen kann. "
Die Zeit hat sicherlich bewiesen, dass Teile von Kesslers Vorhersage richtig sind. Laut ESA sind die Trümmerwerte in LEO allein in den letzten fünf Jahren um 50% gestiegen. Seit 1957 gab es rund 550 Fragmentierungsereignisse mit etwas mehr als 50allein im Jahr 2020.
Die CubeSat-Revolution
Ein Teil des Problems besteht darin, dass Satelliten im Low Earth Orbit LEO viel produktiver geworden sind. Da die Kosten für den Start von Nutzlasten gesunken sind, sind die Erforschung des Weltraums und die weltraumgestützte Forschung wesentlich zugänglicher geworden. Dies gilt jedoch nichtnur für kleinere Raumfahrtagenturen, aber auch für gewerbliche Einrichtungen und gemeinnützige Organisationen.
Einer der Hauptgründe dafür sind die Fortschritte in den Bereichen Elektronik, Digitaltechnik und Schaltkreise, die es den Satelliten in den letzten Jahrzehnten ermöglicht haben, viel kleiner und billiger zu werden. Infolgedessen hat ein neuer Typ eines kleinen Satellitenentstand als CubeSat bekannt.
Der Name bezieht sich auf Satelliten mit den Abmessungen 10 x 10 x 10 cm 1000 Kubikzentimeter - oder ungefähr 60 x 4 x 4 Zoll - und wiegen ca. 1 kg 2,2 lbs. Aufgrund ihrer geringen Größe und Masse können CubeSats einzeln oder gestapelt verwendet werden, um größere Satelliten zu erstellen, die mehr Aufgaben ausführen können.
Vor 2013 wurde die Mehrheit der CubeSats im Auftrag akademischer Institutionen eingeführt und für die Durchführung wissenschaftlicher Forschung verwendet. In den letzten Jahren haben jedoch kommerzielle Einheiten und private Organisationen mehr als die Hälfte des Marktes ausmacht.
Dies ist hauptsächlich auf die Tatsache zurückzuführen, dass sie viel billiger in den Weltraum zu senden sind und Mitfahrgelegenheiten nutzen können wo sie als Teil einer größeren Nutzlast gestartet werden. Leider die Zugänglichkeit, die CubeSats und andere Verbesserungen ermöglicht habenträgt auch zum allgemeinen Problem der Orbitalstörung bei.
Auf lange Sicht bedeutet mehr Teilnehmer im Weltraum, dass die Menge des zurückgelassenen Mülls größer wird, was den Kessler-Effekt umso wahrscheinlicher macht. Dieses Problem schreit nach einer Lösung mit einem Doppelschlag, was bedeutet, dass dortmüssen Strategien sowohl am Ende der Schadensbegrenzung als auch am Ende der Beseitigung sein.
In Bezug auf das Entfernen werden derzeit eine Reihe von Optionen geprüft. Dazu gehört alles von Satelliten mit Harpunen und Netze das könnte Weltraummüll fangen und ihn desorbieren, um ihn zu benutzen magnetische Raumschlepper und sogar Laser !
Am anderen Ende des Spektrums arbeiten Wissenschaftler daran, Satelliten der nächsten Generation zu entwickeln, die Kollisionen vermeiden und sich aus der Umlaufbahn entfernen können. In diesem Fall umfassen Strategien neuartige Antriebssysteme und / oder Werkzeuge, mit denen sie sich selbst deorbieren können, sobald sie sich befindensind nicht mehr funktionsfähig.
Das Büro der Vereinten Nationen für Weltraumangelegenheiten hat außerdem Richtlinien zur Minderung von Trümmern festgelegt, einschließlich der Planung der Entsorgung umlaufender Satelliten am Lebensende. Die Anzahl der Länder und Agenturen, die diese Richtlinien unterzeichnen, wächst88% der kleinen Nutzlasten, die in LEO gestartet werden, halten sich aufgrund ihrer geringen Höhe automatisch an Maßnahmen zur Minderung von Weltraummüll, was bedeutet, dass sie sich am Ende ihres Lebens in der Erdatmosphäre auflösen.
Schätzungen zufolge entsprechen zwischen 30 und 60% der gesamten Satellitenmasse die nicht an der menschlichen Raumfahrt beteiligt ist aus demselben Grund den Richtlinien für das Lebensende.
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Antriebsoptionen
Traditionell wurden Satelliten mit der gleichen Antriebstechnologie wie Raumfahrzeuge ausgestattet - chemische Triebwerke. Diese Systeme basieren auf reaktiven Chemikalien fest oder flüssig, die dann gezündet werden, um ein expandierendes Hochtemperaturgas zu erzeugen. Dieses Gas wird dann geleitetdurch Düsen, um Schub zu erzeugen.
Diese Methode wird seit Beginn des Weltraumzeitalters verwendet, um die Lage zu steuern und zu manövrieren. Der Hauptvorteil des chemischen Antriebs liegt in seiner Einfachheit. In einem solchen System gibt es nur sehr wenige bewegliche Teile, und der Energiebedarf ist recht hochklein.
Sie haben jedoch auch einige Nachteile, darunter eine begrenzte Kraftstoffkapazität und die Tatsache, dass Treibmittel häufig giftig sind. Dies wird zu einem Problem, wenn Satelliten und verbrauchte Raketenstufen ausfallen, bevor sie die Möglichkeit haben, ihre Kraftstoffversorgung zu erschöpfen.
Wenn diese Objekte im Orbit mit anderen zusammenstoßen, können Explosionen auftreten, die zu Auseinanderbrechen und großen Trümmerwolken führen. Daher werden Anstrengungen unternommen, um alternative Antriebsmittel zu entwickeln.
Kaltgasstrahlruder :
Kaltgasstrahlruder sind auf ein Inertgas wie Stickstoff in einem Drucktank angewiesen, das dann durch eine Düse freigesetzt wird, um Schub zu erzeugen. Der unmittelbare Vorteil besteht darin, dass es auf nicht explosiven und in den meisten Fällen Treibmitteln beruhtFälle nicht ätzend oder giftig.
Diese Methode hat auch den Vorteil, dass sie die einfachste Form der Antriebstechnologie ist, da sie ausschließlich auf kryogen konserviertem Gas und normalerweise einem einzigen Ventil basiert. Leider haben sie auch einige Nachteile, von denen die offensichtlichsten sindgeringe Leistung im Vergleich zum chemischen Antrieb.
Elektrischer Antrieb :
Diese Methode basiert auf Elektrizität zur Beschleunigung von Treibmitteln, die normalerweise aus Inertgasen bestehen. Beispiele hierfür sind Ionentriebwerke, Hall-Effekt-Triebwerke, gepulste Plasma-Triebwerke und Elektrospray-Triebwerke. In allen Fällen verwenden diese Systeme elektrische Energie zum Laden Ionisieren.ein Inertgas.
Die resultierenden ionisierten Partikel werden durch eine Magnetkammer beschleunigt, um Schub zu erzeugen. Typischerweise haben sich Ionenmotoren auf Xenon als Kraftstoffquelle verlassen, aber es gibt neuere Konzepte, die auch andere Elemente verwenden wie Jod .
Diese Technologie ist aufgrund ihrer extremen Kraftstoffeffizienz und der Fähigkeit, im Laufe der Zeit einen hohen spezifischen Impuls zu erzeugen, vorteilhaft. Sie erfordert jedoch auch viel Strom, was große Solarzellen oder Batterien und große Treibstofftanks erfordert.
Sonnensegel :
Sonnensegel auch bekannt als Lichtsegel / Photonensegel sind auf den Druck der Sonnenstrahlung von Sternen angewiesen, um Segel aus hochreflektierendem und ultradünnem Material zu schieben. Die unmittelbaren Vorteile dieser Methode bestehen darin, dass sie kein Treibmittel und keine Kraft benötigenSie erzeugen ist skalierbar basierend auf der Größe des Segels selbst.
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Andererseits müssen Sonnensegel größer als der Satellit sein, um einen nützlichen Antriebsgrad zu erzeugen. Für den Einsatz und die Lagerung dieser Segel müssen sie außerdem mit einem komplexen mechanischen Gerät ausgestattet sein, das die Gesamtgröße und -masse der Satelliten erhöhtund Hinzufügen der Möglichkeit eines mechanischen Versagens.
Wasserantrieb zur Rettung?
Seit den 1960er Jahren setzen die NASA und andere Weltraumagenturen auf eine Kombination aus flüssigem Wasserstoff und Sauerstoff als Treibmittel. Dies hat zu Vorschlägen für Motoren geführt, die auf Wasser angewiesen sind, entweder durch Verdampfen und Ausstoßen zur Erzeugung von Antrieb oder durch einen Prozessbekannt als Wasserelektrolyse.
Bei der Elektrolyse geht es darum, eine elektrische Ladung anzulegen, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu trennen. Die NASA hat das Potenzial dieser Technologie für den Antrieb von Raumfahrzeugen untersucht, aber erst in den letzten Jahren ist dies möglich gewordenEinführung kleiner Satelliten auch bekannt als CubeSats, die zum Manövrieren viel weniger Schub benötigen.
Seit Jahren verfolgt die NASA die Entwicklung dieser Technologie durch ihre Innovationsforschung für Kleinunternehmen SBIR, ihre Technologie für kleine Raumfahrzeuge SST, ihre CubeSat-Startinitiative CLI und ihre Pathfinder Technology Demonstrator PTD Programm.
2017 demonstrierte die NASA ein von Wissenschaftlern der Purdue University entwickeltes Antriebssystem auf Wasserbasis. Das System wurde in das System integriert. Betrieb und Datenübertragung Optische Kommunikation und Sensordemonstration OCSD Mission, die aus zwei CubeSats bestand, die am 21. Juni ein koordiniertes Manöver in LEO durchführten st , 2019.
Der angebliche Zweck der OCSD-Mission bestand darin, neue optische Übertragungsmethoden zu testen, um Daten effizienter zur Erde zurückzuleiten. Die Mission demonstrierte jedoch auch die Wirksamkeit des beteiligten Antriebssystems, bei dem es sich um vier an Bord befindliche Triebwerke handelte, die auf Solarenergie beruhtenEnergie, um kleine Mengen Wasser in Dampf umzuwandeln.
Im Jahr 2020 wurde von dem in Washington ansässigen Unternehmen der erste funktionsfähige Wasserelektrolysemotor für Kleinsatelliten entwickelt. Tether Unlimited Inc. TUI. A " Wasserelektrolyse-Triebwerk "ist technisch gesehen ein chemisches Antriebssystem, da es Wasserstoff und Sauerstoff verbrennt.
Einer der unmittelbaren Vorteile eines solchen Systems besteht darin, dass es seinen Kraftstoff vor Ort bereitstellen und Eis im Weltraum ernten kann, um sein Treibmittel wieder aufzufüllen. Anfang Januar dieses Jahres gab die NASA das Triebwerk von TUI bekannt. wäre in der ersten Mission enthalten ihres PTD-Programms PTD-1, das am 24. Januar gestartet wurde th als Teil eines Sechs-CubeSat-Pakets für den Orbit.
Eine weitere Neuerung ist die ThermaSat Motor entwickelt von Howe Industries ein in Arizona ansässiges Unternehmen, das sich auf Nukleartechnologien, thermische Systeme und Weltraumantriebe spezialisiert hat. Im Vergleich zu Wasserelektrolysemotoren ist der ThermaSat-Motor ein Beispiel für den Ansatz der "thermischen Rakete".
Dieser Motor benötigt eine optische Oberfläche, um Sonnenstrahlung in Wärme umzuwandeln, die zur Umwandlung von Wasser verwendet wird. überhitzter Dampf einen Moment vor dem Schießen aus einer hinteren Düse heraus. Dies ermöglicht schnelle Verbrennungen, die es Satelliten ermöglichen, sich schnell zu entfalten und schnelle Änderungen in ihrer Umlaufbahn vorzunehmen.
Da es auf Wasser und Sonnenenergie angewiesen ist, enthält es keine Materialien oder Kraftstoffe, die ätzend, giftig oder explosiv sind. Daher bietet dieses System eine Reihe von Vorteilen gegenüber der herkömmlichen Motorentechnologie, nicht zuletzt die Kosteneffizienz und Vielseitigkeit.
Es hat auch den Vorteil, dass es nur zwei bewegliche Teile hat, was es einfacher und kompakter als andere Systeme macht. Trotzdem kann es mit nur 2,2 1.800 Newtonsekunden Gesamtimpuls oder 203 lbs / s spezifischen Impuls liefern1 kg Wasser. Dies reicht aus, um einen CubeSat bis zu fünf Jahre in LEO zu halten.
Die Technologie ist auch nützlich, wenn es um die Minderung von Orbitalabfällen geht. Wie Dr. Troy Howe Ph.D., Gründer und CEO von Howe Industries, Interessante Technik | wissenschaft-x.com per E-Mail mitteilte :
"Das ThermaSat-Konzept ist aus zwei Hauptgründen attraktiv, um Probleme mit Weltraummüll zu lösen. Zum einen ist das System so universell und einfach zu bedienen, dass es nahezu jeder Mission im Orbit Antriebsfähigkeiten verleihen kann- Am Ende der Mission können sich die meisten Trümmer nach Beendigung des Betriebs selbst entfernen.
"Die zweite Möglichkeit ist die Tatsache, dass der ThermaSat Verbrennungen mit hohen Impulsen zur Vermeidung von Kollisionen verursachen kann. Viele der größeren Trümmerstücke können verfolgt werden oder möglicherweise vorzeitig auf den Satelliten zukommen, und es können geringfügige Kurskorrekturen vorgenommen werdenum ein Abfangen zu vermeiden. Es kann das Problem der Weltraummüll nicht vollständig lösen, aber es kann zumindest diese spezifische Mission sicher halten. "
Diese und andere Systeme ermöglichen es Satelliten nicht nur, Kollisionen miteinander zu vermeiden. Sie ermöglichen es Satelliten auch, sich am Ende ihrer Dienstzeit zu desorbieren. Wenn ihre Instrumente endlich ausfallen oder sich die Mission dem letzten nähertSatelliten, die mit Antriebssystemen ausgestattet sind, können ein "Swan Song" -Protokoll initiieren.
Dies bedeutet, dass sie ihre Höhe erheblich senken und effektiv in die Erdatmosphäre eintauchen müssen, damit sie mehr Luftreibung erfahren und ihre Umlaufbahn schneller abfällt. In kürzester Zeit verbrennen sie beim Wiedereintritt und stellen keine Bedrohung für zukünftige Missionen dar. Art von Poetik, Wenn du darüber nachdenkst!
"Notwendigkeit ist die Mutter der Erfindung"
Viele der Innovationen, die wir heute sehen, sind auf dringende Bedürfnisse zurückzuführen. Zwischen Klimawandel, Bevölkerungswachstum und der Aussicht, mehr Menschen mit weniger Ressourcen ernähren zu müssen, entwickeln Forscher neue Technologien und Ideen, die Lösungen bieten.
Wenn es darum geht, potenziell katastrophale Kettenreaktionen im Orbit zu vermeiden, gab es eine Vielzahl von Vorschlägen - von erfinderisch bis täuschend einfach. David Mayer, PTD-1-Projektmanager am Ames Research Center der NASA, sagte :
"Wir haben einen Fahrbedarf für Antriebssysteme für kleine Raumfahrzeuge. Der Bedarf besteht aus vielen Gründen: ein Ziel zu erreichen, die Umlaufbahn beizubehalten, um andere Objekte im Weltraum zu manövrieren oder die Umlaufbahn zu beschleunigen, um Raumfahrzeugen am Ende ihrer Lebensdauer zu helfen, um gute Verwalter einer zunehmend überfüllten Weltraumumgebung zu sein. "
Wie Dr. Howe hinzufügte Diese Situation erfordert innovative Lösungen, einschließlich der Ausstattung von Satelliten mit Triebwerken, damit Kollisionen vermieden werden können :
"Im Allgemeinen sind die Gesetze des Weltraums nicht so gut entwickelt wie die Gesetze auf der Erde. Die Erdumlaufbahn Low Earth Orbit, LEO wird von allen Nationen geteilt, die Ausrüstung darin platzieren können, und in der Vergangenheit gab es nur sehr wenige zivileAngelegenheiten, die Rechtsstreitigkeiten erfordern. Mit zunehmender Beliebtheit dieses Bereichs treten jedoch immer mehr Weltraummüll, Kommunikationsstörungen, Datenschutz und andere Probleme auf.
"Wir glauben, dass ein Antriebssystem an Bord jedes Satelliten den Betreibern die Möglichkeit gibt, ihr Raumfahrzeug zu steuern und ein gewisses Maß an Verantwortung für die Weltraumentwicklung zu übernehmen. Ein Satellit ohne Antrieb ähnelt einem Auto ohne Lenkrad und würde dies wahrscheinlich tunsei für jeden das Beste, wenn jedes Fahrzeug eines hat. "
In den nächsten Jahren wird der Markt für kleine Satelliten voraussichtlich extrem schnell wachsen. Dank der Miniaturisierung und Verbesserungen der digitalen Technologie werden Möglichkeiten für weltraumgestützte Forschung, Exploration und kommerzielle Unternehmungen noch häufiger.
Hinzu kommt, dass die zahlreichen multinationalen Unternehmen, die Konstellationen von Internetsatelliten und das Wachstum der Telekommunikations- und kommerziellen Raumfahrtsektoren starten wollen, klar sind, dass die Satellitenindustrie und der Low Earth Orbit sehr bald überfüllt sein werden!
Weiterführende Literatur :
- CSA - Was ist ein CubeSat?
- USCUSA - UCS-Satellitendatenbank
- ESA - Weltraummüll nach Zahlen
- ESA - Der Kessler-Effekt und wie man ihn stoppt
- NASA - ARES Orbital Debris Program Office
- NASA - Pathfinder Technology Demonstrator
- NASA - Ionenantrieb: weiter, schneller, billiger
- The Planetary Society - Lightsail: Flug durch Licht für CubeSats
- NASA Spinoff - Wasserbetriebene Motoren bieten Satellitenmobilität