Weltraummüll. Dipl.-Ing. Carsten Wiedemann Institut für Luft- und Raumfahrtsysteme Technische Universität Braunschweig.

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1 Weltraummüll Dipl.-Ing. Carsten Wiedemann Institut für Luft- und Raumfahrtsysteme Technische Universität Braunschweig

2 Forschung Das Braunschweiger Space Debris Team Carsten Wiedemann Michael Oswald Sebastian Stabroth Peter Vörsmann 2

3 Gliederung Die Zusammensetzung des Weltraummülls Die Modellierung der Verteilung des Weltraummülls Beispiele für Schäden und Konsequenzen Das ESA Space Debris Modell Quellen und Senken von Weltraummüll Vermeidung von Weltraummüll Zusammenfassung 3

4 Einleitung Space Debris = künstliche Objekte im Erdorbit, die nicht mehr genutzt werden 9000 Objekte > 10 cm, davon nur etwa 500 aktive Satelliten 4

5 Trümmer Ist Weltraummüll ein Problem? Entstehung von Weltraummüll bekanntester Beitrag: Explosionsfragmente 200 Explosionen von Satelliten und Oberstufen häufige Ursache: unbeabsichtigte Selbstentzündung von Resttreibstoffen Kollision mit Satellitenstruktur hohe Kollisionsgeschwindigkeit von ca. 10 km/s 12-fache Energie von Dynamit 1 cm großes Objekt setzt die Energie einer Handgranate frei 5

6 Schlackepartikel Neue Beiträge zum Weltraummüll Schlacke aus Feststoffmotoren Bahntransfermanöver auf Umlaufbahnen zwischen 200 km bis 800 km Höhe und bei km Höhe Zusammensetzung: hauptsächlich Aluminiumoxid Größe der Schlackepartikel: bis zu 3 cm Feststoffmotor Schlackepartikel 6

7 Flüssigmetalltropfen (1) RORSAT: Kernreaktoren im All Reaktorkernabstoßung Dieses Movie kann bei folgender Adresse heruntergeladen werden: Buk-Reaktor forschung/raumfahrt/spacedebris/ index.html NaK-Tropfen Es wird angenommen, dass der Kühlmittelaustritt eine ungesteuerte, unbeabsichtigte Begleiterscheinung der Kernabstoßung ist. Insgesamt haben 16 Kernabstoßungen stattgefunden. 7

8 Flüssigmetalltropfen (2) Verteilung des Weltraummülls am Beispiel der NaK-Tropfen Wissenschaftliche Grundlagen Die Grundlage der raumfahrttechnischen Arbeiten am ILR ist die Kenntnis und Anwendung der allgemeinen und höheren Bahnmechanik. Uran-Molybdän-Legierung Beryllium Reflektor Gehäuse-Kern-Verbindung NaK Kühlmittel Exakte Berechnungen von Satellitenbahnen unter Berücksichtigung aller Störkräfte. 8

9 Flüssigmetalltropfen (3) RADAR OCEAN RECONNAISSANCE SATELLITE (RORSAT) RORSAT DESIGN Reaktor Radiator 2 Radarantennen (eine auf jeder Seite) Buk-Reaktor Transferstufe Zyklon (SL-11/F-1m)-Stufe 0 m 5 m RORSAT KERNABSTOSSUNG (SHO) Ausgestoßener Reaktorkern Reaktor mit Transferstufe auf dem Sufficiently High Orbit (SHO) NaK-Tropfen bestehen aus einer eutektischen Natrium-Kalium-Legierung und wurden während 16 RORSAT Reaktorkernabstoßungen in den achtziger Jahren freigesetzt, meistens auf Orbits nahe 950 km Höhe. NaK wird als Reaktorkühlmittel eingesetzt. 9

10 Flüssigmetalltropfen (4) 140 Gesamtmasse der orbitalen NaK-Tropfen Gesamtmasse der orbitalen NaK-Tropfen < 1cm Masse [kg] > 1cm Zeit [Jahre] 10

11 Flüssigmetalltropfen (5) Räumliche Dichte der orbitalen NaK-Tropfen 3,5E-07 3,0E-07 Räumliche Dichte [Objekte/km³] 2,5E-07 2,0E-07 1,5E-07 1,0E-07 < 1 cm > 1 cm 5,0E-08 0,0E Gültig für Mai 2005 Bahnhöhe [km] 11

12 Flüssigmetalltropfen (6) Abstiegsverhalten der NaK-Tropfen > 500 µm > 1 mm 1E-04 1E-04 1E-05 1E-06 1E-07 1E Räumliche Dichte [Objekte/km³] Bahnhöhe [km] 1E-05 1E-06 1E-07 1E-08 Räumliche Dichte [Objekte/km³] Bahnhöhe [km]

13 Flüssigmetalltropfen (7) Abstiegsverhalten der NaK-Tropfen > 5 mm > 1 cm 1E-04 1E-04 1E-05 1E-06 1E-07 1E Räumliche Dichte [Objekte/km³] Bahnhöhe [km] 1E-05 1E-06 1E-07 1E-08 Räumliche Dichte [Objekte/km³] Bahnhöhe [km]

14 Flüssigmetalltropfen (8) NaK-Tropfen > 1 cm Jahr Bahnhöhe [km] 14

15 Räumliche Verteilung Wo ist der Weltraummüll heute? Verteilung der Weltraummüll-Objekte größer als 1 cm Räumliche Dichte [Objekte/km³] 7E-07 6E-07 5E-07 4E-07 3E-07 2E-07 1E-07 0E Bahnhöhe [km] Natrium-Kalium-Tropfen aus Kernreaktoren Schlacke aus Feststoffmotoren Weltraumschrott Gültig für Mai

16 Räumliche Verteilung Gültig für Mai

17 ESA-MASTER Space Debris Modell Meteoroid and Space Debris Terrestrial Environment Reference Model (MASTER) MASTER 2005 Entwicklung: durch ein Konsortium unter ESA/ESOC-Vertrag Hauptauftragnehmer: Institut für Luft- und Raumfahrtsysteme der TU Braunschweig MASTER 96 MASTER 99 MASTER 2001 MASTER 2005 Partner QinetiQ (UK) Forschungsgesellschaft für Angew. Naturwissenschaften FGAN Astronomisches Institut Universität Bern AIUB (Schweiz). 17

18 ESA-MASTER Space Debris Modell Weltraummüllmodell MASTER Notwendigkeit: unvollständige Messdaten im Kleinteilbereich Populationserzeugung: Simulation aller Ereignisse, Propagation der Objektwolken Validierung: Radarmessungen, Einschläge auf SC Hardware Realistische Beschreibung der Weltraummüllumgebung bis zu 1µm Partikelgröße 18

19 Quellen und Senken von Weltraummüll Quellen Starts Oberstufen, Nutzlasten, missionsbedingte Objekte Fragmentationen Explosionen, Kollisionen Senken Natürlicher Bahnabstieg atmosphärischer Widerstand, Gravitation von Sonne und Mond, solarer Strahlungsdruck Andere Ursachen Feststoffmotoren, Flüssigmetalltropfen, Oberflächendegradation Aktive Manöver Rückführung durch Bremsschub, Rückholung von Objekten (Shuttle) 19

20 Größenbereiche von Weltraummüll Objektgröße 1 µm 10 µm 100 µm 1 mm 1 cm 10 cm 1 m 10 m Fragmentationstrümmer Radarkatalog Natrium-Kalium -Tropfen Schlackepartikel Al2O3-Staub Cluster Ejecta Farbpartikel Meteoriten 20

21 Beispiele für Schäden und Konsequenzen (1) Loch in Hubble Space Telescope Antenne (1,9 cm x 1,7 cm) Einschläge in Solarzellenflächen Quelle: NASA/ESA 21

22 Beispiele für Schäden und Konsequenzen (2) Kollisionen zwischen größeren Objekten Bisher 3 nachweisbare Ereignisse z.b. CERISE mit Ariane-Fragment (Juli 1996) derzeit noch keine Quelle mit signifikantem Beitrag wachsende Bedeutung in der Zukunft Ausweichmanöver zur Vermeidung von Kollisionen Space Shuttle, ISS (NASA) ERS 1 (ESA) SPOT (CNES) 22

23 Risikoanalyse Beispielsatellit Masse: 3 t Querschnittsfläche: 22 m² Bahnhöhe: 830 km Lebensdauer: 7 Jahre Anzahl der Einschläge und Durchschläge Quelle Einschläge Durchschläge Durchschläge > 100 µm (ungeschützt) (geschützt) Fragmente Schlacke Farbpartikel Ejecta Meteoriten Gesamt

24 Satelliten-Ausfallwahrscheinlichkeit Ausfallwahrscheinlichkeit für einen typischen Erdbeobachtungssatelliten 1E-01 ungeschützt geschützt Ausfallwahrscheinlichkeit 1E-02 1E-03 1E-04 Fragmente Launch/Mis NaK-Tropfen Schlacke Meteoriten Gesamt Ausfallwahrscheinlichkeit ungeschützt: 4,65 % geschützt: 3,56 % 24

25 Debris-Vermeidung und Minimierung Vermeidung von Objekten, die nicht erforderlich sind Vermeidung von Explosionen von Oberstufen und Satelliten Reduzierung der missionsbedingten Objekte Vermeidung des Anstiegs der Kollisionsrate zwischen größeren Objekten Entfernung von nicht mehr benötigten Oberstufen Entfernung von nicht mehr benötigten Satelliten nach Missionsende Begrenzung der post-operativen Bahnlebensdauer auf 25 Jahre 25

26 Effektivität von Debris-Vermeidung 9E+10 8E+10 Einschläge Kumulative Kosten [$] 7E+10 6E+10 5E+10 4E+10 3E+10 2E+10 1E+10 De-Orbit GEO Re-Orbit Schlackevermeidung Passivierung MRO Vermeidung MIT4 Kumulative Kosten [$] 9E+10 8E+10 7E+10 6E+10 5E+10 4E+10 3E+10 2E+10 Einschläge (BAU) MIT4 0E+00 1E+10 0E Jahr Jahr Es gibt einen Kostenanstieg nach der Einführung der Maßnahme im Jahr Der Kostendeckungspunkt wird im Jahr 2041 erreicht. 26

27 Zusammenfassung Kollisionsrisiko für einzelne Missionen noch nicht dramatisch Abschirmungen, Reparaturen, Ausweichmanöver erforderlich Debris-Modelle und Analyse-Tools immer detaillierter Weitere Messdaten erforderlich (z. B. in GEO) Raumfahrt muss in Zukunft auch Debris- Vermeidung beinhalten Kostenanstieg durch Debris-Vermeidung 27

28 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Ich stehe Ihnen gern für Fragen zur Verfügung! Weitere Informationen zum Thema und zum Studium im Internet: