Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHRRückführung von Weltraumschrott: Weltraumbeobachtungsradar TIRA kann unterstützen
Im Weltraum schwirrt zunehmend Schrott umher – eine ernsthafte Bedrohung für Satellitenmissionen. Raumfahrtbehörden bemühen sich daher zunehmend, Weltraumschrott zu reduzieren. Das europaweit einzigartige Weltraumbeobachtungsradar TIRA des Fraunhofer FHR kann dabei sinnvoll unterstützen: Es liefert z. B. Daten, wie und mit welcher Geschwindigkeit die Objekte rotieren und ob diese noch intakt sind.
Zahlreiche Satelliten ziehen im Weltraum ihre Bahnen und versorgen uns mit Informationen – sei es für die Navigation, die Kommunikation, das Fernsehen oder die Erdbeobachtung. Doch nicht nur aktive Satelliten schwirren dort herum: Die Mehrheit aller Objekte, die sich im erdnahen Weltraum befinden, haben ihre Dienstzeit bereits hinter sich. Mit steigender Tendenz, schließlich kommt bei jedem Raketenstart neuer Weltraumschrott hinzu. Besonders problematisch ist das bei Raketenstufen. Denn sie haben vielfach noch einen Rest Treibstoff im Tank, was immer wieder Explosionen nach sich zieht. Eine solche löst einen Kaskadeneffekt aus: Statt eines größeren Teils schweben nun eine Vielzahl an kleineren Fragmenten durch den erdnahen Weltraum – die Wahrscheinlichkeit, dass ein Satellit von einem solchen Objekt getroffen und beschädigt oder gar zerstört wird, steigt. Denn selbst solche kleinen Objekte stellen eine Gefahr dar: Es kommt immer wieder zu Ausfällen von Satelliten, weil Fragmente beispielsweise die Sonnensegel durchlöchert haben.
Zwar ist der erdnahe Weltraum groß. Doch Satelliten müssen die Erde je nach Aufgabe auf bestimmten Bahnen umkreisen, deren Kapazitäten bereits heute teilweise ausgeschöpft sind. Weltraumbehörden starten daher erste Versuche, Weltraumschrott zurückzuholen. So plant z. B. die ESA eine erste Testmission für 2025, bei der ein Adapter für die Kopplung von Raketenoberstufe und Nutzlast eingefangen werden soll. Sowohl im Vorfeld als auch während einer Mission selbst gilt es, möglichst viele Informationen über das Objekt einzuholen: Wie schnell dreht es sich? In welche Richtung rotiert es? Wie ist es im Raum ausgerichtet? In welchem Zustand ist es?
Weltraumbeobachtungsradar TIRA: Raketenstufen verfolgen und abbilden
Das Fraunhofer FHR kann mit seinem Weltraumbeobachtungsradar TIRA, kurz für Tracking and Imaging Radar, die nötigen Daten für solche Missionen liefern und sowohl die Planung als auch die Durchführung unterstützen. Denn TIRA ist mit seiner Fähigkeit zur Beobachtung von Objekten im Weltraum in Europa einzigartig – in tausend Kilometern Entfernung kann das System sogar noch Objekte entdecken, die lediglich zwei Zentimeter groß sind. Bereits heute erbringt das Fraunhofer FHR Unterstützungsleistungen mit TIRA: National für das Weltraumlagezentrum in Uedem, international z. B. für die ESA. Unter anderem wurde das Fraunhofer FHR 2019 mit einer Schadensanalyse der Oberstufe einer japanischen Trägerrakete beauftragt. Damit die dafür notwendige Abbildung möglichst präzise ist, muss die Rotationsgeschwindigkeit der Raketenstufe so genau wie möglich bekannt sein. Es gilt also genau zu bestimmen, wie schnell sie sich in welche Richtungen dreht. Da sie sich um mehrere Achsen gleichzeitig drehen kann, kann die Bewegung sehr komplex sein. TIRA beobachtet das Objekt während einer Passage typischerweise acht bis zwölf Minuten aus verschiedenen Blickwinkeln. Am Fraunhofer FHR wird über selbst entwickelte Algorithmen eine Sequenz von Radarabbildungen analysiert und daraus die Rotationsgeschwindigkeit abgeschätzt. Dabei wird mit Hilfe der Radarabbildungen ein 3D-Modell proportional zu den Dimensionen des Objektes erstellt. Dieses wird dann über eine Sequenz von Radarabbildungen ausgerichtet. Stimmen die Bewegungen des Drahtmodells und des Objektes in der Bildfolge überein, sind die Geschwindigkeiten richtig gewählt, falls nicht, gilt es in einem iterativen Prozess entsprechend nachzujustieren.
Ausblick
Der Weltraumschrott wird weiter zunehmen – somit steigt auch die Gefahr für aktive Satelliten, durch Fragmente beschädigt zu werden. Zukünftig werden sowohl ein möglichst genaues Lagebild wie auch die Rückführung und die Vermeidung von Weltraumschrott ein Thema sein. Das Fraunhofer FHR kann mit TIRA in allen drei Bereichen Unterstützung leisten. Zum Lagebild tragen z. B. Schadensanalysen bei, welche Rückschlüsse zur Fragmentierung eines Objektes zulassen. Zur Rückführung können beispielsweise Zustandsanalysen und Rotationsanalysen der Objekte gemacht werden. Auf diese Weise lässt sich die Frage beantworten, welche Methode sich für das Einholen eignet: Ein Netz oder besser ein Greifarm. Im Bereich Vermeidung kann z. B. die Aktivierung eines Bremssegels verifiziert werden.