Weltraummüll ist ein großes Problem in der erdnahen Raumfahrt. Außer Dienst gestellte oder havarierte Satelliten, Bruchstücke von Raumstationen und Reste von Weltraummissionen bedeuten eine alltägliche Gefahr von Kollisionen mit aktiven Satelliten und Raumfahrzeugen. Zusammenstöße bergen neben ihrer zerstörerischen Kraft weiteres Risikopotential – Tausende neue Trümmerteile können entstehen, die wiederum mit anderen Objekten kollidieren könnten – ein gefährlicher Schneeballeffekt.
Die globale Wirtschaft hängt heutzutage in erheblichem Maße von Satelliten und ihren Funktionen ab – Anwendungsbeispiele sind die Bereiche Telekommunition und Übertragung von TV-Signalen, die Navigation oder auch Wettervorhersagen und Klimaforschung. Die Beschädigung oder Zerstörung solcher Satelliten durch eine Kollision mit im Orbit verbliebenen Satelliten- oder Raketenresten 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 IOF in Jena haben ein Lasersystem entwickelt, das optimal für diese Aufgabe geeignet ist.
Lage und Bewegung von Objekten im Erdorbit zuverlässig erfassen
»Mit unserem robusten und effizienten System kann die genaue Lage und Bewegungsrichtung von Objekten im Erdorbit zuverlässig und zentimetergenau bestimmt werden«, erläutert Dr. Thomas Schreiber von der Gruppe Faserlaser am Fraunhofer IOF. »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 im Anschluss eine ebenso große Hürden dar. Dies machte die Neuentwicklung des Jenaer Forscherteams nötig, da herkömmliche Laser diesen Herausforderungen nicht gewachsen sind.
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.
Messungen mit Zehntausenden Laser-Impulsen pro Sekunde
»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 Schreibers Kollege Dr. 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 sogenannte ›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 GmbH und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) – 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 Thüringer Raumfahrtunternehmens Jena-Optronik verbaut und 2016 mit dem autonomen Versorgungstransporter ATV-5 ins Weltall geschickt worden. Das Jenaer System punktet auch in Sachen Energieverbrauch: Der Faserlaser arbeitet bei voller Leistung insgesamt mit weniger als 10 Watt – deutlich weniger als beispielsweise ein handelsüblicher Laptop.
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