Forscher arbeiten an einem Traktorstrahlsystem für den Weltraum

Die menschliche Technologie überschreitet eine weitere Schwelle. Traktorstrahlen sind in der Science-Fiction seit Jahrzehnten üblich. Jetzt arbeitet ein Forscherteam an einem echten Traktorstrahl, der uns bei unserem aufkeimenden Weltraummüllproblem helfen könnte.

Weltraummüll besteht aus von Menschenhand geschaffenen Objekten im Weltraum, die heute nicht mehr existieren. Es reicht von kompletten Satelliten oder Raumfahrzeugen über weggeworfene Teile wie Trümmerschilde bis hin zu winzigen Teilen dieser Objekte, die durch Kollisionen entstanden sind. Kollisionsrückstände sind am zahlreichsten und neigen dazu, sich zu vermehren.

Im Jahr 2009 kollidierte ein nicht funktionierender russischer Satellit mit einem Iridium-Satelliten über der sibirischen Halbinsel. Bei der Kollision entstanden über 1.800 Trümmerteile, die nun mit hoher Geschwindigkeit die Erde umkreisen. Das ist nur eine Trümmerquelle, und wenn Wissenschaftler alle anderen Trümmer zusammenzählen, kommen sie zu dem Schluss, dass über 25.000 Trümmerteile die Erde umkreisen, die groß genug sind, um gemessen zu werden. Schätzungen zeigen, dass es eine viel größere Anzahl von Objekten gibt, die zu klein sind, um verfolgt zu werden, darunter mehr als 128 Millionen Trümmerstücke, die kleiner als 1 cm (0,4 Zoll) sind. Und diese Zahlen werden wachsen.

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Das stellt eine spürbare Gefahr für funktionierende Raumfahrzeuge dar. Selbst kleine Teile können aufgrund ihrer hohen Geschwindigkeiten Schäden verursachen. Nach Angaben der NASA bewegen sich Trümmer im erdnahen Orbit (LEO) mit etwa 25.250 km/h (15.700 Meilen pro Stunde). Wenn also zwei Teile, die sich beide so schnell bewegen, kollidieren, wird eine beträchtliche Energie freigesetzt. Und Satelliten sind keine gehärteten Ziele.

„Das Problem mit Weltraummüll ist, dass bei einer Kollision noch mehr Weltraummüll entsteht.“

Professor Hanspeter Schaub leitet ein Forscherteam an der University of Colorado, Boulder, das an einem echten Traktorstrahl arbeitet. Es nutzt die elektrostatische Kraft, um die Bewegung eines Objekts zu beeinflussen. Während ein funktionsfähiges Modell oder ein Prototyp noch in weiter Ferne liegt, schaffen die Forscher eine kleine Vakuumkammer, die den Raum in ihrem Labor nachahmt. Es heißt „Electrostatic Charging Laboratory for Interactions between Plasma and Spacecraft“ (ECLIPS).

Das Problem mit dem Weltraummüll ist, dass es nur noch schlimmer wird. Kollisionen zwischen Objekten erzeugen in einem Kaskadeneffekt noch mehr Objekte. Selbst wenn wir aufhören würden, Dinge in die Umlaufbahn zu bringen, wird die Zahl der Objekte weiter zunehmen.

„Das Problem mit Weltraummüll besteht darin, dass nach einer Kollision noch mehr Weltraummüll entsteht“, sagte Julian Hammerl, Doktorand der Luft- und Raumfahrttechnik an der CU Boulder. „Die Wahrscheinlichkeit, dass es zu einer weiteren Kollision kommt, erhöht sich, wodurch noch mehr Trümmer entstehen. Es gibt einen Kaskadeneffekt.“

Die einzige Möglichkeit, Kollisionen zu reduzieren, besteht darin, die Anzahl der Objekte zu reduzieren, und in den letzten Jahren wurde viel darüber nachgedacht und geforscht, wie Weltraummüll und Kollisionen reduziert werden können.

Ein Team der Australian National University untersuchte den Einsatz bodengestützter Laser, um die Flugbahn von Objekten auf Kollisionskurs zu verändern. Sowohl die ESA als auch China haben Schleppsegel eingesetzt, um das Verlassen der Umlaufbahn von Raketentriebwerken zu beschleunigen. Und ein britisches Unternehmen namens RemoveDebris testete ein interessantes Harpunensystem zur Handhabung von Weltraummüll.

Aber wenn Schaubs Team eine Antwort auf den Weltraummüll finden kann, wird es in ihrer kleinen Vakuumkammer beginnen. Sie entwickeln Elektronenstrahlen, die entweder anziehend oder abstoßend wirken können und hoffentlich dazu genutzt werden könnten, die Flugbahn einzelner Stücke von Weltraumschrott zu verändern. In der kleinen Kammer werden Tests durchgeführt.

„Wir erzeugen eine anziehende oder abstoßende elektrostatische Kraft“, sagte Schaub, Vorsitzender der Abteilung für Luft- und Raumfahrttechnik von Ann und HJ Smead. „Er ähnelt dem Traktorstrahl, den man in Star Trek sieht, ist aber bei weitem nicht so stark.“

Ihre mögliche Lösung könnte eines der großen Risiken bei der Eindämmung des Weltraummüllproblems umgehen: es zu berühren. Der Kontakt mit einem sich schnell bewegenden, taumelnden Stück Weltraumschrott könnte dessen Flugbahn unbeabsichtigt ändern, was das Problem noch verschlimmert. Das könnte das Problem der Kaskadenkollision verstärken.

„Das Berühren von Dingen im Weltraum ist sehr gefährlich. Objekte bewegen sich sehr schnell und oft unvorhersehbar“, sagte Kaylee Champion, eine Doktorandin, die mit Schaub zusammenarbeitet. „Dies könnte viele sicherere Möglichkeiten für die Wartung von Raumfahrzeugen eröffnen.“

Wenn ihre Arbeit schließlich Früchte trägt, stellt sich das Team eine Flotte kleiner Raumschiffe vor, die die Erde umkreisen. Das Raumschiff würde sich mit Dingen wie nicht mehr existierenden Satelliten treffen und dann entweder anziehende oder abstoßende Elektronenstrahlen verwenden, um seine Flugbahn zu ändern. Es basiert alles auf der Coulombe-Kraft.

In ECLIPS stellen die Forscher die Weltraumumgebung um die Erde nach. Diese Region ist nicht leer. Stattdessen ist es voller Plasma, geladener Atome und freier Elektronen. In jüngsten Experimenten haben Schaub und sein Team in ihrer Kammer eine geosynchrone Umlaufbahnumgebung (GEO) nachgebildet. GEO liegt viel höher als die erdnahe Umlaufbahn (LEO). LEO ist eine Region, die sich bis etwa 2.000 km (1.200 Meilen) über der Erdoberfläche erstreckt, während GEO etwa 34.000 km (22.000 Meilen) über der Erdoberfläche beginnt.

Bei GEO spielen die Großen. Dort oben finden wir Satelliten so groß wie Schulbusse, die für militärische und Telekommunikationsanwendungen bestimmt sind. „GEO ist wie das Bel Air des Weltraums“, sagte Schaub und verglich es mit dem Viertel mit hohen Mieten in Los Angeles.

Aber wie das irdische Bel-Air hat auch das orbitale Bel-Air nur eine begrenzte Anzahl von Adressen, und diese füllen sich schnell. Ingenieure schätzen, dass es dort oben etwa 180 Orbitalplätze gibt, die Satelliten aufnehmen können. Alle 180 oder entweder bereits ausgefüllt oder beansprucht. Die Internationale Fernmeldeunion der Vereinten Nationen vergibt die Plätze nach dem Prinzip „Wer zuerst kommt, mahlt zuerst“.

Das Problem besteht darin, dass einige dieser Slots durch stillgelegte Satelliten belegt sind und diese Slots sehr gefragt sind. Laut Schaub könnten Traktorstrahlen ausgefallene Satelliten sicher entfernen und den Platz für einen anderen funktionierenden Satelliten freimachen, und das basiert auf einem ziemlich einfachen Prinzip, das wir alle kennen, wenn wir Kinder sind.

Jeder erinnert sich noch daran, wie er sich einen Luftballon über die Haare rieb und ihn dann an die Wand klebte. Durch das Reiben entsteht eine statische Ladung, indem Elektronen von einem Objekt zum anderen bewegt werden. Dann haben die beiden Objekte, der Ballon und die Wand, unterschiedliche Ladungen. Die stationäre Wand hält den mobilen Ballon an Ort und Stelle. Zumindest für eine Weile.

Schaubs Team geht davon aus, dass es so funktioniert: Die Raumsonde würde sich mit dem Traktorstrahl einem nicht mehr existierenden Satelliten auf eine Entfernung von etwa 15 bis 25 Metern (49 bis 89 Fuß) nähern. Anschließend würde die Raumsonde einen Elektronenstrahl auf ihn abfeuern. Die Elektronen verleihen dem Raumschiff eine negative Ladung, und das bedienende Raumschiff wäre positiver geladen.

Jedes Kind, das schon einmal mit Magneten gespielt hat, weiß, dass sich Gegensätze anziehen. Und sobald die bedienende Raumsonde und der nicht mehr existierende Satellit entgegengesetzte Ladungen haben, werden sie voneinander angezogen. Dadurch entsteht das, was Schaub und sein Team eine „virtuelle Bindung“ nennen.

„Mit dieser Anziehungskraft kann man die Trümmer praktisch wegziehen, ohne sie jemals zu berühren“, sagte Hammerl. „Es verhält sich wie das, was wir einen virtuellen Tether nennen.“

Die Experimente des Teams in ECLIPS zeigen, dass es funktionieren könnte. Das gilt auch für Computermodelle. Schaubs Arbeit zeigt, dass ihre Raumschlepper-Idee, der Geosynchronous Large Debris Reorbiter (GLiDeR), ein Raumschiff mit einem Gewicht von 1000 kg in zwei oder drei Monaten über eine Distanz von 320 km (200 Meilen) bewegen könnte. Das tote Raumschiff würde aus der Umlaufbahn von Bel-Air vertrieben und in eine Friedhofsumlaufbahn gebracht. Das ist nicht schnell, aber es muss auch nicht schnell sein. Es muss nur funktionieren, um das Problem zu lösen und Orbitalplätze in GEO freizugeben.

Es könnte funktionieren, aber es müssen noch viele Details geklärt werden.

Ausgefallene Satelliten bewegen sich im GEO nicht gleichmäßig. Stattdessen purzeln sie wild umher, was zu einer ernsthaften Herausforderung einlädt. Aber Schaubs Team glaubt, dass sie möglicherweise eine Lösung finden.

Ihre Experimente zeigen, dass ein im Rhythmus abgefeuerter gepulster Strahl das wilde Taumeln beruhigen kann. Sobald es ruhig ist, ist es einfacher, damit umzugehen. Es könnte nicht nur in eine andere Umlaufbahn gelenkt werden, sondern der Strahl könnte sogar dazu verwendet werden, Raumfahrzeuge zu beruhigen, damit ein Reparaturfahrzeug an ihnen andocken oder sie auftanken könnte. Schwierig, aber nicht für immer unmöglich.

Die Erdumlaufbahn ist voller Trümmer und es wird nur noch schlimmer. Es braucht Abhilfe. Schaub und sein Team blicken aber auch in die Zukunft. Im cislunaren Raum zwischen Erde und Mond dürfte das gleiche Problem auftreten, und statt zu warten, wäre es besser, eine Lösung parat zu haben, bevor die Region zu aktiv wird.

Aber es gibt ein großes Problem: Die Sonne.

Die Plasmaumgebung um die Erde unterscheidet sich stark von der in der Nähe der Sonne. Die Sonne sendet einen konstanten Plasmastrom aus, der Sonnenwind genannt wird. Manchmal lösen sich auch riesige Plasmaklumpen aus der Umarmung der Sonne.

Je näher man der Sonne kommt, desto unvorhersehbarer ist die Plasmaumgebung. Im cis-lunaren Raum kann es wild und wild zugehen. Wenn ein Fahrzeug durch das Plasma fährt, kann es eine Art Kielwasser erzeugen, ähnlich einem Boot, das sich durch Wasser bewegt. Wenn Sie am Ufer gesessen haben, während ein großes Schiff vorbeifuhr, wissen Sie, wie das ist. Ein ausreichend großes Schiff kann durch seine Turbulenzen und seinen Kielwasser ein kleineres Schiff gefährden.

Da sich der Nachlauf im Plasma befindet, könnte er die Funktion eines Elektronenstrahls stören.

„Das macht diese Technologie so herausfordernd“, sagte Champion. „Im erdnahen Orbit gibt es völlig unterschiedliche Plasmaumgebungen, im Vergleich zum geosynchronen Orbit und um den Mond herum. Damit muss man klarkommen.“

Das Team hat eine Ionenkanone entwickelt, die es in ECLIPS verwendet hat, um mit dem störenden Plasma der Sonne umzugehen. Es erzeugt einen eigenen Strom sich schnell bewegender Ionen. Es könnte verwendet werden, um die Plasmaregion, in der die Raumsonde operiert, zu formen und dem Effekt der Sonne entgegenzuwirken.

Wir werden bald eine Lösung brauchen, die der ähnelt, an der das Team in seiner ECLIPS-Kammer arbeitet. Die Bemühungen von Artemis, eine Präsenz auf dem Mond aufzubauen, werden dazu führen, dass der cislunare Raum sein eigenes Problem mit Weltraummüll entwickeln wird. Champion hofft, dass die Arbeit ihres Teams dazu beitragen kann, dieses Problem zu lösen, bevor es überhaupt auftritt, und dass es Teil der Bemühungen sein kann, nicht nur zum Mond, sondern auch zum Mars zu gelangen.

„Sobald wir Menschen wieder auf den Mond bringen, ist das ein Sprungbrett für die Reise zum Mars“, sagte Champion.

Das Team prüft auch die Idee, UV-Laser als Ersatz für Elektronenstrahlen einzusetzen. UV-Laser reagieren nicht so empfindlich auf die elektrostatische Umgebung wie Elektronenstrahlen. Dies würde zu besser kontrollierbaren Systemen näher an der Sonne führen, sagen die Forscher, und die Laser könnten mit Elektronenstrahlen kombiniert werden, um noch mehr Flexibilität und Ergebnisse zu erzielen.

Können wir also Traktorstrahlen zu der Liste der Dinge hinzufügen, die den Sprung von der Science-Fiction zur Realität schaffen? Vielleicht, aber noch nicht. Wenn sie die nötigen Mittel aufbringen könnten, könnte in fünf bis zehn Jahren ein Prototyp eines elektrostatischen Traktors ins All gebracht werden, sagt Schaub.

„Das Spannende an dieser Technologie ist, dass dasselbe Wartungsfahrzeug im Laufe seiner Lebensdauer zwei, drei oder sogar Dutzende von Objekten bewegen kann. Das senkt Ihre Kosten erheblich“, sagte Schaub. „Niemand möchte eine Milliarde Dollar ausgeben, um Müll zu transportieren.“