Laser gegen Weltraummüll

Weltraummüll ist ein großes Problem in der erdnahen Raumfahrt. Außer Dienst gestellte oder havarierte Satel­liten und Bruch­stücke von Raum­fahr­zeugen bedeuten eine tägliche Gefahr von Kolli­sionen. Solche Zusammen­stöße bergen neben ihrer zerstöre­rischen Kraft weiteres Risiko­potenzial – Tausende neue Trümmer­teile können entstehen, die wiederum mit anderen Objekten kolli­dieren könnten – ein gefähr­licher Schnee­ball­effekt.

Die globale Wirtschaft hängt heute in erheblichem Maße von Satel­liten und ihren Funktionen ab – Anwen­dungs­beispiele sind die Bereiche Tele­kommuni­kation und Über­tragung von TV-Signalen, die Navi­gation oder auch Wetter­vorher­sagen und Klima­forschung. Die Beschä­digung oder Zer­störung solcher Satel­liten durch eine Kolli­sion kann immense und nach­haltige Schäden verur­sachen. Der gefähr­liche Welt­raum­schrott muss daher zuver­lässig auf­ge­spürt und erfasst werden, bevor an Bergungs- oder Gegen­maß­nahmen zu denken ist. Experten des Fraun­hofer-Instituts für ange­wandte Optik und Fein­mechanik Jena haben ein Laser­system ent­wickelt, das optimal für diese Aufgabe geeignet ist.

„Mit unserem robusten und effizienten System kann die genaue Lage und Bewegungs­richtung von Objekten im Erd­orbit zuver­lässig und zenti­meter­genau bestimmt werden", erläutert Thomas Schreiber. „Laser­systeme wie das unsrige müssen außer­ordent­lich leistungs­fähig sein, um den extremen Bedin­gungen des Welt­alls stand­halten zu können. Dazu zählt insbe­sondere die hohe physische Belastung während des Starts der Träger­rakete, bei der die Techno­logie sehr starken Vibra­tionen aus­ge­setzt ist.“ Am Einsatz­ort im niedrigen Erd­orbit stellen die hohe Strah­lungs­be­lastung, die extremen Tempe­ratur­schwan­kungen und die niedrige Energie­ver­sorgung ebenso große Hürden dar. Die Analyse der Welt­raum­trümmer muss darüber hinaus über ver­gleichs­weise große Distanzen hinweg möglich sein. Hierzu wird der Laser­strahl zunächst durch eine Glas­faser geleitet und verstärkt, um anschlie­ßend auf seine oft Kilo­meter lange Reise geschickt zu werden.

„Zur notwendigen Bestimmung von Geschwindigkeit, Bewegungs­richtung und Eigen­rotation der Objekte werden sehr kurze Laser­pulse, die nur wenige Milliard­stel einer Sekunde andauern, an ver­schie­dene Posi­tionen im Raum geschossen“, erklärt Oliver de Vries. „Tausende Impulse pro Sekunde sind mit unserem Laser­system möglich. Falls sich tat­säch­lich ein Objekt an einer der unter­suchten Posi­tionen befindet, wird ein Teil der Strah­lung an einen speziellen, direkt in das System inte­grierten Scanner zurückreflektiert. Obwohl das ausgesendete Licht sehr schnell ist, braucht es dennoch eine gewisse Zeit, um vom Laser zum Objekt und wieder zurück zu gelangen. Diese Puls­lauf­zeit kann dann ent­sprechend in eine Distanz und eine echte 3D-Koordinate umge­wandelt werden.“ Die ausge­feilten Sensoren des Systems, die die zurück­gewor­fenen Licht­reflexe auf­fangen, erfassen sogar noch Milliard­stel der abge­strahlten Licht­leistung.

Das von den beiden Forschern des Fraunhofer-IOF – ursprünglich im Auftrag der Jena-Optronik und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raum­fahrt – ent­wickelte Prinzip wurde bereits erfolg­reich bei einem Andock-Manöver eines Raum­trans­porters an die inter­nationale Raum­station ISS getestet. Zuvor war das Laser­system in einem Sensor des Raum­fahrt­unter­nehmens Jena-Optronik verbaut und 2016 mit dem auto­nomen Versorgungs­trans­porter ATV-5 ins Weltall geschickt worden. Das System punktet auch in Sachen Energie­verbrauch: Der Faser­laser arbeitet bei voller Leistung insge­samt mit weniger als zehn Watt – deut­lich weniger als beispiels­weise ein handels­üblicher Laptop.

FG / RK