Verlorene Satelliten aus dem Orbit holen

Eigenrotation von Weltraumobjekten

Seit gut fünf Jahren fliegt der europäische Umweltsatellit ENVISAT manövrierunfähig um die Erde. Derart unkontrollierte Objekte sind ein Risiko für Satelliten und die Raumfahrt. Wie können sie aus dem Orbit entfernt werden?

ENVISAT ist groß, er wiegt rund acht Tonnen. 2002 wurde der 2,3 Milliarden Euro teure Umweltsatellit gestartet und arbeitete bis 2012 zuverlässig. Dann ging der Kontakt verloren. Der Erdbeobachtungssatellit fliegt in einer Umlaufbahn in etwa 800 km Höhe – eine erdnahe Region, in der viele andere Weltraumobjekte unterwegs sind.

Kontrolliertes De-Orbiting

Weltraummüll ist ein großes Problem in der erdnahen Raumfahrt. Der nun unkontrollierte Flug von ENVISAT bedeutet eine alltägliche Gefahr von Kollisionen mit aktiven Satelliten und Raumfahrzeugen“, sagt Dr.-Ing. Delphine Cerutti-Maori, Geschäftsfeldsprecherin Weltraum am Fraunhofer FHR. „Darüber hinaus entsteht weiteres Risikopotenzial, denn Zusammenstöße können zur Entstehung neuer Trümmerteile beitragen, die wiederum mit anderen Objekten kollidieren könnten – ein gefährlicher Schneeballeffekt.“

Die ESA sucht zurzeit nach Lösungsansätzen, um ENVISAT auf eine tiefere Umlaufbahn zu bringen, damit er in der Erdatmosphäre kontrolliert und sicher verglüht – das sog. „De-Orbiting“. Es kann aber nur gelingen, wenn zuvor die Eigendrehbewegung des Satelliten korrekt bestimmt wird. Dann kann festgelegt werden, mit welcher Methode der Satellit eingefangen werden soll.

Das Forscherteam des Fraunhofer FHR hat dafür eine Idee. Ihr Weltraumbeobachtungsradar TIRA kombiniert ein Ku-Band-Abbildungsradar und ein L-Band-Zielverfolgungsradar. Dieses Zusammenspiel bietet mittels ISAR-Bildgebung die Möglichkeit, Weltraumobjekte hochaufgelöst abzubilden. Gegenüber optischen Systemen hat das Radar-System Vorteile: Unabhängigkeit vom Wetter, Einsatzfähigkeit bei Tag und bei Nacht und eine von der Entfernung des Objekts unabhängige Auflösung. Zudem kann es die Drehgeschwindigkeit rotierenden Objekten bestimmen. Die aufgenommenen Radar-Rohdaten von ENVISAT werden so mit speziellen Methoden prozessiert und im Anschluss ausgewertet.

Entwicklung von Satelliten prognostizieren

Techniker erzeugen hochaufgelöste Radarbilder, indem sie die relative Drehung des beobachteten Objekts zur stationären Radaranlage nutzen. Das Objekt wird von verschiedenen Betrachtungswinkeln beleuchtet. Die Querskalierung im Radarbild hängt allerdings von der tatsächlichen Drehgeschwindigkeit ab, die aber selbst erst aus den Daten gewonnen werden soll.

Diese Problem löst das Fraunhofer-Team mit einer Methodik, die Drahtgittermodelle der Objekte verwendet, um die Querskalierung richtig zu schätzen. An verschiedene Bilder einer Passage wird manuell ein Drahtgittermodell des Objektes projiziert. Aus der zeitlichen Entwicklung der Projektionen über eine Passage können die Forscher dann der Rotationsvektor des Objekts zuverlässig abschätzen.

Für die Analyse der langzeitlichen Entwicklung der Eigenbewegung von ENVISAT verwendeten die Wissenschaftler Beobachtungen aus dem Zeitraum von 2011 bis 2016. Im regulären Dienst rotierte ENVISAT relativ langsam mit ca. 0.06°/s – das entspricht einer Umdrehung pro Erdumlauf. Kurz nach dem Abriss der Verbindung am 8. April 2012 registrierten Forscher einen Anstieg der Eigendrehbewegung auf fast 3°/s – etwa 45 Umdrehungen pro Umlauf.

Dieser Anstieg der Eigendrehgeschwindigkeit deutet nicht einen Zusammenstoß mit anderen Objekten hin, da die Zunahme graduell erfolgte und nicht plötzlich, so der Rückschluss der Forscher. Seit Mitte 2013 ist eine Verlangsamung der Drehgeschwindigkeit zu beobachten: Sie lag Ende 2016 bei ca. 1.6°/s.

Die Untersuchungen des Fraunhofer FHR sollen nun dazu beitragen, eine kontrollierte Entfernung des havarierten ENVISAT zu unterstützen, sobald die ESA sich dazu entscheidet. Ihre entwickelten Methoden zur bildgestützten Aufklärung sind aktuell weltweit einzigartig und eignen sich auch, um die langzeitliche Entwicklung von Weltraumobjekten belastbar zu prognostizieren. Darüber hinaus können sie eingesetzt werden, um mögliche äußere Beschädigungen der Satelliten zu untersuchen.

Bild: © Foto Fraunhofer FHR / Eine korrekt skalierte Radarbildrekonstruktion des Satelliten ENVISAT.