Große Laser für kleine Trümmer

Satelliten zu schützen ist ein drängendes Problem. Müssten wir die rund 1 000 aktiven Satelliten im Orbit heute ersetzen, würde das schätzungsweise 100 Mrd. EUR kosten. Viele Sektoren der Wirtschaft bekämen die Auswirkungen zu spüren und die gesamte Gesellschaft müsste unter den Folgen leiden.

Um dieses Problem zu lösen, wurden verschiedene Technologien wurden in Betracht gezogen. Angefangen bei DARPAs Aufräumrobotern und ESA-Frachtern, die beide schon 2015 starten sollen, bis hin zu Japans Fangnetzen - in den Gehirnen der Wissenschaftler wimmelt es nur so von Ideen. Lasertechnologie ist eine davon. Das von der NASA im Jahr 2011 vorgeschlagene Konzept der Laserstation, mit der die Flugbahn des Weltraumschrotts verändert werden kann, scheint sich zunehmend als geeignete Lösung zu entpuppen.

Das Projekt CLEANSPACE ("Small debris removal by laser illumination and complementary technology"), das seit drei Jahren läuft und in diesem Monat enden wird, geht der Frage auf den Grund, welche Rolle Lasertechnologie beim Unschädlichmachen von kleinen Trümmern spielen könnte, die auch das größte Problem für umlaufende Satelliten darstellen. Hauptziel ist es, eine Technologie-Roadmap zur Überwachung, Identifizierung und Nachverfolgung festzulegen, die mit einem realisierbaren Boden-Laserschutzsystem zum Einsatz kommen könnte.

Dr. Christophe Jacquelard, der das Projekt koordiniert, erklärte sich bereit, über einige seiner wichtigsten Ergebnisse zu sprechen.

Welche Hauptziele verfolgt das Projekt?

Die CLEANSPACE-Studie ist eine Antwort auf die Aufforderung zur Einreichung von Vorschlägen SPA-2010-2.3.02 "Need to protect space assets from on orbit collision" des RP7-Themenbereichs "Sicherheitsforschung'. Sie soll eine Antwort auf diesen Bedarf geben, indem sie die notwendigen Anforderungen an eine sichere und routinemäßige Entfernung von kleinen Weltraumschrottteilchen aus der erdnahen Umlaufbahn mit Hilfe einer bodengestützten Hochenergie-Laserstation definiert. Eine solche Technologie würde wertvolle Vermögenswerte im Weltraum vor katastrophalen Kollisionen in der Umlaufbahn schützen.

Inwieweit ist die Projektarbeit neu oder innovativ?

Der Einsatz eines Lasers, um die Flugbahn des Weltraumschrotts zu verändern, ist neu und wir haben eine globale Architektur eines solchen bodengestützten Systems definiert. Doch der innovativere Teil des Projekts liegt im technischen Bereich: wir haben die Laser-Materie-Wechselwirkung untersucht, die kohärente Kopplung von Laserstrahlen mittlerer Energie demonstriert und die Eignung von Keramiktechnologie geprüft, um große Proben mit einer komplexen Form zu entwickeln. Außerdem wurde die Verteilung des Leuchtdotierstoffs getestet. Um eine dauerhafte internationale Unterstützung und einen reibungslosen Weltraummüllbeseitigungsprozess sicherzustellen, wurde eine internationale Einrichtung vorgeschlagen. Zum Abschluss wurden Simulationswerkzeuge entwickelt, um die Flugbahnänderung für den Single-Pass- oder Multiple-Pass-Betrieb zu bewerten.

Wie würde Ihre globale Architektur im Einzelnen funktionieren?

Für jeden Schuss kann ein solches System eine sehr geringe Schubkraft auf den Weltraummüll auswirken, indem eine sehr dünne Schicht von seiner Oberfläche abgetragen wird. Treffen Tausende solcher Laserschüsse wiederholt auf ein Teilchen auf, verringert sich dessen Geschwindigkeit und es wird in eine niedrigere Umlaufbahn gedrückt. Mit diesem Konzept lässt sich sowohl die Bahn eines Schrottteilchen verändern - wodurch eine vorhergesagte Kollision mit einem wertvollen Satelliten vermieden wird - als auch letztlich der Schrott entfernen, da dieser durch seinen neuen Kurs in die Atmosphäre eintritt und dort verglüht.

Mit welchen Hauptschwierigkeiten waren sie konfrontiert und wie haben Sie diese gelöst?

Während des Projekts hatten wir dank eines sehr kompetenten Teams keine größeren Probleme. Es bestand aus erfahrenen Mitarbeitern, die sich gegenseitig kennenlernen konnten und nicht ständig wechselten. Angesichts dieses Artikels möchte ich die Gelegenheit ergreifen mitzuteilen, dass es eine Freude für mich war, mit allen zusammenzuarbeiten und von ihren verschiedenen Fachbereichen und Nationalitäten zu profitieren.
Natürlich mussten während des CLEANSPACE-Projekts einige wichtige Entscheidungen getroffen werden, da wir ständig auf der Suche nach Optimierung waren. Am wichtigsten war die Zusammenführung der beiden anfänglichen Laserkonzepte (aus jedem Laserhauptpartner und externen Aktivitäten) zur Definition einer dritten Laserarchitektur unter Einsatz der besten Konzepte seiner Vorgänger und vor allem der aktiv gekoppelten Nd:Yag-Keramik-Verstärker.

Was sind die nächsten Schritte für das Projekt und welche Pläne gibt es nach seinem Ende?

Wenn CLEANSPACE zu Ende geht, könnten die von uns angedachte Boden-Laserstation gebaut und innerhalb von 10 Jahren in Betrieb gehen. Die Realisierung dieses Systems lässt sich in zwei Phasen aufteilen. Phase eins wird sich mit den notwendigen technologischen Schritten befassen, vor allem mit der Laserentwicklung, der Integration mehrerer Technologien in einen Demonstrator, der Umsetzung einer ersten Trümmerüberwachung und eines Auflistungsnetzwerks sowie der Politikumsetzung.
Die zweite Phase kann erst beginnen, wenn sich die Europäische Union und andere wichtige Weltraumnationen zur bodengestützten "Weltraumschrottbeseitigung mithilfe von Lasertechnologie" (laser debris removal, LDR) verpflichten und wenn ein Vertrag über die Finanzierung des Baus eines LDR-Systems vorliegt. In dieser Phase wird die LDR-Station gebaut und werden der Hochenergie-Laser, das Teleskop und einige zusätzliche optische Komponenten hergestellt und in die Station integriert. Es scheint möglich, diese zweite Phase innerhalb von fünf Jahren abzuschließen.

Sind Sie mit den Ergebnissen Ihrer Forschung zufrieden?

Vor dem Projektende veranstaltete das Projekt einen Demonstrationstag, um die wichtigsten technischen Ergebnisse zu veröffentlichen und die vier von uns durchgeführten Experimente vorzustellen: Dabei handelte es sich um einen Versuch mit der Bezeichnung "Debris Tracking Mock-up" (Weltraummüll-Nachverfolgungsmodell), einen zur Veranschaulichung des "Laserantriebs", einen "Laserkopplungsdemonstrator" und schließlich eine "Scheibenlaser-Demonstration'. Die Teilnehmer hatten die Gelegenheit, mehr über das Konzept herauszufinden und sich davon zu überzeugen, wie ein Laser ein Objekt in einem Vakuum bewegt (weil die Umgebung des Weltraumschrotts ein Vakuum ist).

Haben Unternehmen oder Regierungen bereits ein Interesse an der Bereitstellung der CLEANSPACE-Technologie gezeigt? Wann denken Sie diese verwirklichen zu können?

Das Geschäftsmodell eines solchen Systems muss noch entwickelt werden und war kein Bestandteil von CLEANSPACE. Allerdings haben wir einen Fahrplan für zehn Jahre.
Die Schrottmenge in der erdnahen Umlaufbahn nimmt schnell zu, und kurzfristig sind Kollisionen zwischen Weltraumschrott und Satelliten, die eine Kettenreaktion auslösen, durchaus möglich. Fünf große Trümmerstücke pro Jahr mit automatischen Missionen zu entfernen ist nützlich, aber wir müssen auch die Menge der kleinen Trümmerstücke reduzieren, die noch über Jahrzehnte ansteigen wird. Das CLEANSPACE-Projekt ist eine Lösung für kleine Trümmerstücke und das haben wir in unseren Gesprächen mit den Unternehmen betont.