Die Bürgerluftfahrt, die Infrastruktur auf der Erde und die Umwelt stehen vor einem realen Risiko durch Weltraummüll. Paradoxerweise wissen wir jedoch noch sehr wenig darüber, wo genau solche Objekte tatsächlich landen.

Jeden Tag kehren alte Satelliten, gebrauchte Raketen und Teile von Raumfahrzeugen aus ihrer Bahn um die Erde zurück, meist über dem Ozean. Das Problem ist, dass wir häufig nicht wissen, wo diese Objekte genau landen und was von ihnen übrig bleibt. Wissenschaftler haben jedoch kürzlich gezeigt, dass in den Messungen von Seismometern, die täglich Erdbeben registrieren, eine Karte versteckt ist, die den Flugverlauf von fallendem Weltraummüll abbildet. Dadurch kann innerhalb einer Stunde das verfolgt werden, was bisher Tage in Anspruch nahm: die Route und das mögliche Gebiet, wo die Trümmer landen könnten.

Weltraummüll fällt fast täglich

Der niedrige Erdorbit wird immer voller. Konstellationen von Kommunikationssatelliten, alte Raketenteile und inaktive Raumfahrzeuge – all diese Objekte müssen früher oder später wieder zur Erde fallen. Schätzungen zufolge kehren durchschnittlich mindestens drei große Objekte pro Tag zur Erde zurück: abgedankte Satelliten oder Raketenteile.

Die meisten dieser Objekte zerfallen in den dichten Schichten der Atmosphäre und verwandeln sich in eine Wolke aus Plasma und Metallpartikeln. Einige Fragmente können jedoch die Erdoberfläche erreichen, insbesondere massive Teile wie Treibstofftanks oder Module von Raumfahrzeugen. Dies stellt ein signifikantes Risiko für die Bürgerluftfahrt, die Infrastruktur auf der Erde und die Umwelt dar. Gleichzeitig bleibt unklar, wo genau solche Zwischenfälle stattfanden. Ein spektakuläres Beispiel war die Situation im November 2022, als Spanien und Frankreich einen Teil ihres Luftraums mehrere Minuten lang schlossen, weil ein großes Stück einer chinesischen Rakete über Südeuropa niedergehen musste. Fluggesellschaften leiteten Flüge um, Verluste wurden berechnet, und das Objekt selbst fiel schließlich auf die andere Seite der Welt, im Pazifik, in die Atmosphäre. Die Vorhersagen waren, gelinde gesagt, alles andere als präzise.

Warum verlieren Radare Objekte über der Erde aus den Augen?

Im erdnahen Orbit scheinen die Bedingungen noch einigermaßen unter Kontrolle zu sein. Die Bahnen von Satelliten und Raketen werden von einem globalen Netzwerk aus Radaren und optischen Teleskopen überwacht. Wenn ein Objekt mehrere hundert Kilometer über der Erde kreist, kann seine zukünftige Position mit großer Genauigkeit basierend auf den Gesetzen der Mechanik vorhergesagt werden.

Das Problem beginnt jedoch, wenn der niedrigste Punkt der Bahn in die dichteren Schichten der Atmosphäre eindringt – ungefähr unter 200 km. Hier spielen nicht nur die Schwerkraft, sondern auch der Luftwiderstand eine Rolle. Die Atmosphäre in diesen Höhen ist sehr wechselhaft: Ihre Dichte hängt von Sonnenaktivität, Temperatur und Wind ab. Für fallende Objekte bedeutet dies Chaos.

Am Tag vor dem Eintritt in die Atmosphäre kann die Unsicherheit über den Zeitpunkt der Rückkehr einige Stunden betragen. Und einige Stunden bei orbitalen Geschwindigkeiten entsprechen einer vollständigen Umrundung der Erde. Darüber hinaus gibt es nur wenige Langstreckenradare, deren Daten häufig geheim sind, und in dem Moment, in dem eine heiße Schicht aus ionisiertem Gas um das Raumfahrzeug entsteht, werden Messungen ohnehin schwierig.

Seismometer sind nicht nur für Erdbeben da

Hier kommen Seismometer ins Spiel. Diese Geräte sind dazu konzipiert, Bodenbewegungen zu registrieren – von großen Erdbeben bis hin zu subtilen Vibrationen, die durch Verkehr oder arbeitende Maschinen verursacht werden. In vielen Ländern, insbesondere in industrialisierten Nationen, ist ihr Netzwerk sehr dicht und gut kartiert.

Obwohl sie häufig mit den Vorgängen im Erdinneren assoziiert werden, reagieren Seismometer auch auf Phänomene in der Atmosphäre. Wenn ein Objekt mit einer Geschwindigkeit, die um ein Vielfaches höher ist als die Schallgeschwindigkeit, über ein bestimmtes Gebiet fliegt, entsteht ein Überschallknall, das heißt, eine Schockwelle, die wir zum Beispiel vom Überflug eines Düsenflugzeugs kennen. Bei einem großen Fragment eines Raumfahrzeugs breitet sich dieser Knall dann in Form eines konischen Mach-Kegels nach unten aus und trifft irgendwann den Boden.

Die Druckwelle komprimiert die Oberfläche kurzzeitig und dehnt sie dann wieder aus. Für ein Seismometer sieht dies aus wie ein charakteristischer N-förmiger Impuls: eine schnelle Abwärtsbewegung, gefolgt von einer ebenso schnellen Aufwärtsbewegung. Dies wird als deutlicher Peak im Vibrationsdiagramm registriert. Wenn ein solcher Impuls gleichzeitig an vielen Stationen in der Region erscheint, kann daraus rekonstruiert werden, wie und wo sich die Schockwelle fortbewegt hat, und von dort aus ist es nur ein kleiner Schritt zur Route des Objekts selbst.

Chinesisches Modul über 50 Millionen Menschen

Um zu sehen, wie weit man nur mit Seismometern kommt, hat ein Team der Johns Hopkins University und des Imperial College London einen konkreten Vorfall untersucht. Im April 2024 sollte die orbitale Modul der chinesischen Shenzhou-Kapsel seine Mission abschließen und im Ozean niedergehen. Die Vorhersagen deuten darauf hin, dass es irgendwo über dem Atlantischen Ozean oder dem südlichen Pazifik in die Atmosphäre eintreten würde.

Die Realität war jedoch anders. Mitten in der Nacht erschien über Südkalifornien und Nevada ein heller Meteor – ein Lichtstreifen am Himmel, der sowohl von Einwohnern Los Angeles als auch von zahlreichen Autofahrern auf den Autobahnen beobachtet wurde. In der Erdumlaufbahn war gerade die Spur des Moduls verschwunden.

Dieses Objekt wog etwa 1,5 Tonnen und hatte einen Durchmesser von mehr als einem Meter. Das ist genügend Masse, um bei einer ungünstigen Wendung des Geschehens bei einem Aufprall in einem bebauten Gebiet oder auf ein Flugzeug Schäden zu verursachen. Unter seiner Bahn lebten etwa 50 Millionen Menschen. Laut offiziellen Angaben sollte es weiterfliegen und über dem Ozean zerfallen. Seismometer berichteten jedoch eine ganz andere Geschichte.

Wie kann die Route und Geschwindigkeit des fallenden Objekts aus den Erdbewegungen abgeleitet werden?

Forscher analysierten die Messungen von 127 seismischen Stationen in Kalifornien und einem Teil von Nevada. An vielen dieser Stationen tauchten charakteristische Impulse auf – genau die Schallknalle der vorbeifliegenden Trümmer des Raumfahrzeugs.

Durch die Analyse des Zeitpunkts, an dem das Signal an jeder Station erschien, kann eine Karte von Zeitpunkten gezeichnet werden, das heißt, Orte, an denen die Schockwelle früher oder später ankam. Diese Punkte bilden charakteristische Hyperbeln, also Kurven, die aus den Schnittpunkten des Mach-Kegels mit der Erdoberfläche resultieren.

Durch die Analyse dieses Musters stellte das Team Folgendes fest:

• Die Bahn – es stellte sich heraus, dass der Lichtstreifen etwa 40 km nördlich der zuvor vom militärischen Zentrum für Bahnverfolgung berechneten Route flog;
• Die Geschwindigkeit – diese betrug etwa Mach 25-30, also etwa 8 km/s, was den Erwartungen für ein Objekt entspricht, das seine Bahn verlässt;
• Der Einfallswinkel – dieser war sehr klein, etwa 2 Grad; in der Praxis bedeutet dies, dass das Modul durch die oberen Schichten der Atmosphäre schürfte, bevor es schnell an Höhe verlor.

Von Bedeutung ist, dass die Seismometer auch zeigten, wo die Phase der Erzeugung von Schallknällen ungefähr endete. Jenseits eines bestimmten Meridians registrierten die Stationen keine deutlichen N-Wellen mehr, sondern nur noch viel schwächere Signale von weiterer akustischer Ausbreitung. Dies ist ein Zeichen dafür, dass große Fragmente entweder vollständig verbrannten oder bereits in den sogenannten ballistischen Flug übergegangen sind, bei dem sie unter der Schallgeschwindigkeit abgebremst wurden.

Wenn das Raumfahrzeug in Teile zerbricht, registriert das Seismometer dies ebenfalls

An einigen Stationen war das Signal kein einfacher einzelner Impuls. Statt eines einzelnen Peaks waren eine ganze Reihe kleinerer Peaks zu sehen, die im Abstand von ein paar Hundertsteln einer Sekunde auftauchten. Das ist das Zeichen für die Zerlegung des Raumfahrzeugs.

Jedes größere Fragment, das erneut hypersonischer Luftströmung ausgesetzt wird, erzeugt seinen eigenen Miniatur-Schallknall. Wenn die Desintegration stufenweise erfolgt – zuerst bricht ein Block ab, dann der nächste – registrieren die Seismometer die gesamte Reihe solcher Ereignisse. Durch die Analyse der Amplitude kann geschätzt werden, wie die Energie der aufeinanderfolgenden Brüche verteilt wurde, und die Dauer dieser Kanonade gibt an, an welchem Teil der Bahn die wesentliche Desintegration stattgefunden hat.

Das Team zeigte, dass die Desintegration des Shenzhou-Moduls eine Kaskade war: eine Reihe von Ereignissen mit abnehmender Energie, die sich auf einer relativ kurzen Strecke abspielten. Dies glich mehr dem wiederholten Brechen einer verhärteten Struktur unter zunehmendem Luftdruck als einer einzelnen Explosion.

Warum ist das alles nötig?

Warum sollte jemand ein so genaues Bild davon haben wollen, wie Weltraummüll zerfällt? Es gibt mindestens ein paar Gründe dafür. Seismometer können insbesondere eine wichtige Rolle bei der schnellen Erkennung und Analyse von Objekten spielen, die aus ihrer Bahn fallen, insbesondere von Objekten, die giftige Brennstoffe, radioaktive Elemente oder feuerfeste Komponenten enthalten könnten. Dank der Seismometer kann der Flugverlauf und der Ort des Falls nahezu sofort bestimmt werden, was die Reaktionszeit der Rettungsdienste verkürzt. Dies erleichtert sowohl Suchaktionen als auch die Risikobewertung für zukünftige Rückkehrfälle in die Atmosphäre.

Darüber hinaus stellen sie eine Ergänzung zu den klassischen Überwachungsmethoden dar. Seismometer sind nah beieinander positioniert und ihre Daten aus vielen Ländern sind nahezu in Echtzeit öffentlich zugänglich. Dies ist ein enormer Vorteil im Vergleich zu großen Radaranlagen, von denen es nur wenige gibt, und deren Messungen manchmal vertraulich sind.