Wie beseitigt man 170 Millionen Teile Weltraumschrott?

Im März veröffentlichte die NASA die umfassendste Finanzanalyse zu Weltraummüll. Dieser Bericht beleuchtet zum ersten Mal die finanziellen Kosten und Vorteile verschiedener Wege zur Bekämpfung einer der am schnellsten wachsenden Gefahren in der Erdumlaufbahn.

Die Weltraumwirtschaft ist enorm, aber eine ihrer größten Herausforderungen ist winzig: Weltraummüll, bei dem eine Kollision mit einem Objekt von der Größe selbst eines Nickels katastrophale Schäden verursachen kann. Heutzutage werden mehr Objekte in die Umlaufbahn gebracht als jemals zuvor in der Geschichte. Dies erhöht die Wahrscheinlichkeit von Kollisionen zwischen Satelliten und vorhandenen Trümmern. Es gab unterschiedliche Ansätze zur Bewältigung und Minderung von Trümmern, die von gesetzgeberischen/regulierenden Maßnahmen bis hin zu technologischen Maßnahmen reichten.

Mit zunehmender Aktivität im Weltraum stellen Trümmer eine wachsende Bedrohung für den Low Earth Orbit (LEO) dar, den am besten zugänglichen Bereich des Weltraums. Möglicherweise befinden sich bis zu 170 Millionen Trümmerstücke im Orbit, wobei die überwiegende Mehrheit aufgrund der Grenzen der aktuellen Technologie zu klein ist, um verfolgt zu werden, aber nicht weniger gefährlich. Von den 55.000 Trümmerstücken, die wir verfolgen können, werden mehr als 27.000 Objekte, wie verbrauchte Raketentriebwerke, aktive Satelliten und tote Satelliten, vom globalen Space Surveillance Network (SSN) des Verteidigungsministeriums überwacht.

Aufgrund der Geschwindigkeit, mit der sich Objekte in LEO bewegen (ca. 27.000 km/h), kann selbst der Aufprall eines kleinen Objekts, wie eines Tischtennisballs, erheblichen Schaden anrichten oder die bestehende Infrastruktur vollständig zerstören, wodurch mehr Fragmente von verfolgbarer und erkennbarer Größe entstehen. Zweimal im letzten Monat musste die Internationale Raumstation Manöver durchführen, um Kollisionen auszuweichen. Neben einer unmittelbaren LEO-Überlastung besteht auch eine wachsende Möglichkeit des Kessler-Syndroms, bei dem aktuelle Trümmer eine wachsende und sich selbst reproduzierende Kaskade von orbitalem Müll erzeugen. Politische Führer haben begonnen, aufmerksam zu werden: Senator John Hickenlooper (D-CO) – einer der führenden Vertreter im Kongress zu diesem Thema – sagte: „Angesichts der Bedrohung durch Trümmer, die sich bereits im Orbit befinden, reicht es nicht aus, in Zukunft noch mehr Trümmer zu verhindern.“ genug."

Zu den technologischen Bemühungen zur Begrenzung von Trümmern gehört die Herstellung wiederverwendbarer Raketen und manövrierfähiger Satelliten. Bestimmte Satelliten können ihre Position über einen Satellitenbetreiber anpassen, eine Person oder Organisation, die einen Satelliten verwaltet. Beispielsweise führte die Internationale Raumstation ein sogenanntes In-Orbit-Manöver durch, um Trümmern auszuweichen. Um den Anforderungen der Aufräumarbeiten gerecht zu werden, haben die Industrien Technologien zur Trümmerreinigung entwickelt, beispielsweise Bodenlaser-Anstupser, Weltraumschlepper und Weltraumlaser. Die Politik hat mit dem schnellen Wachstum der aufstrebenden kommerziellen Raumfahrtindustrien nicht Schritt gehalten. Die Industrie zögert auch, neue Technologien zu nutzen und effektiv umzusetzen, weil die Kosten ungewiss sind.

Es gab nie eine umfassende Kosten-Nutzen-Analyse der Methoden zur Beseitigung von Trümmern (Sanierung), obwohl belastbare Daten über die Anzahl der Objekte im Weltraum verfügbar waren. Diese neue NASA-Analyse ermittelt die Technologiekosten und die Zeit, um die Kosten zu amortisieren, und gibt der Industrie eine bessere Vorstellung davon, wie neue Technologien effektiv implementiert werden können.

Um den Bericht zu erstellen, erstellten NASA-Wissenschaftler ein Modell, das die wirtschaftlichen Risiken spezifizierte, denen Weltraumschrott für Satellitenbetreiber ausgesetzt ist, basierend auf der Zeit, die benötigt wird, um die für die Reinigung aufgewendeten Kosten zu decken, und der verwendeten Reinigungsmethode. Anschließend wandten die Wissenschaftler das Modell auf zwei Szenarien an: Sie priorisierten den Abbau und die Beseitigung großer Trümmer (d. h. die Beseitigung der 50 größten und besorgniserregendsten Objekte im Weltraum) und zielten auf die Entfernung kleiner Trümmer (Beseitigung von 100.000 Trümmerstücken mit einer Größe von 1 bis 10 cm). Größe).

Feststellung 1. Um die Risiken für den Bediener zu verringern, sollten kleine Trümmer entfernt und große Trümmer angestoßen werden, um Kollisionen zu vermeiden.

Auch wenn es anfangs teuer ist, würde die Entfernung kleinerer Rückstände in weniger als einem Jahrzehnt einen Nettovorteil bringen:

Die Anfangsinvestition kann schnell amortisiert werden und große Wirkung erzielen.

Die Anfangsinvestition kann schnell amortisiert werden und große Wirkung erzielen.

Die Modelle der NASA deuten darauf hin, dass Bemühungen zur Trümmerbeseitigung von nicht verfolgbarem Trümmer unmittelbare Vorteile haben können. Bei verfolgbarem Müll würde es nur drei bis vier Jahre dauern, bis die anfänglichen Kosten ausgeglichen sind.

Ergebnis 2: Betreiber von Raumfahrzeugen können die anfänglichen Vorabkosten schnell amortisieren, indem sie wiederverwendbare Technologien nutzen, die Trümmer durch kontrollierten und unkontrollierten Wiedereintritt beseitigen.

Der Nutzen, der mit der Entfernung großer Objekte verbunden ist, wächst von Jahr zu Jahr, nachdem sie saniert wurden.

Bei den 50 größten Objekten im Weltraum, die durch kontrollierten Wiedereintritt effektiv entfernt werden können, insbesondere wenn dies mit wiederverwendbaren Fahrzeugen geschieht, dürfte sich die Kosten in etwa drei Jahrzehnten amortisieren.

Feststellung 3: Das Recycling von Weltraumschrott bietet im Vergleich zu anderen Methoden zur Müllbeseitigung keine eindeutig ausreichenden finanziellen Vorteile.

Während das Recycling von Weltraumschrott potenzielle wirtschaftliche und klimatische Vorteile mit sich bringt, verringert das Recycling im Weltraum das Risiko, dass schädliche Chemikalien in die obere Atmosphäre freigesetzt werden, wenn diese beim Wiedereintritt verbrennen, und begrenzt die Menge an Trümmerresten in der oberen Atmosphäre.

Investitionen in Müllrecyclinganlagen sind mit hohen Vorlaufkosten verbunden, und es ist nicht garantiert, dass im nächsten Jahrzehnt ein Markt für solche Anlagen entstehen wird. Dies macht Prognosen zum Wert des Recyclings unsicher. Der Bericht weist jedoch darauf hin, dass das Müllrecycling eine mögliche Lösung für die langfristigen Bemühungen der Müllbewirtschaftung darstellt. Dies kann durch In-Space Manufacturing and Assembly (ISAM) erreicht werden, eine Praxis, die Fabriken und Versorgungsdienste im Weltraum umfasst und Wartung, Montage und Fertigung umfasst. Mit diesen Einrichtungen können Weltraumschrott im Wert von mehreren Milliarden Dollar gesammelt und recycelt werden. Außerdem können sie dazu beitragen, eine „zirkuläre Weltraumwirtschaft“ zu schaffen, bei der die Weltrauminfrastruktur unter Verwendung vorhandener Trümmer verarbeitet, recycelt, aufgebaut und wieder betankt wird.

Wir haben bereits Ideen zur Bekämpfung von Weltraummüll eingebracht. Lyndsey Gray, Mitarbeiterin des Day-One-Projekts, skizzierte fünf politische Lösungen zur Beseitigung von Weltraummüll. Im Folgenden sind die drei wichtigsten aufgeführt:

Empfehlung 1. Das Orbital Debris Program Office (ODPO) der NASA sollte in Abstimmung mit dem Space Surveillance Network des DOD eine priorisierte Liste massiver Weltraumschrottteile im LEO zur beschleunigten Beseitigung erstellen.

Das ist ein starker Anfang. Durch die Erstellung einer Liste großer Trümmer (>10 cm) durch Aufprall und die Priorisierung großer Trümmer wie nicht funktionierende Satelliten, verbrauchte Raketenstufen und andere große Trümmer mithilfe von Bodenlasern können größere Vorteile bei geringeren Kosten erzielt werden. Darüber hinaus sollte die NASA der Zerstörung nicht verfolgbarer und anderer kleiner Trümmer Priorität einräumen.

Ihr Bericht stellt fest, dass die Sanierung kleinerer Trümmer nicht nur schnellere Ergebnisse liefert, sondern auch eine geringere finanzielle Steigerung darstellt. Neben der Entfernung kleinerer Trümmer können auch die Größe und die Auswirkungen von Trümmern untersucht werden, um die Auswirkungen zu maximieren.

Empfehlung 2. Die Space Force sollte in Zusammenarbeit mit dem Handelsministerium (DOC) jedes Jahr die Beseitigung und/oder das Recycling einer festgelegten Anzahl großer Trümmerobjekte finanzieren und so einen zuverlässigen Markt für die Beseitigung von Weltraummüll schaffen.

Wir empfehlen der aufstrebenden Space Force und dem Handelsministerium, technische Lösungen zur Entfernung und Wiederverwertung größerer Trümmer zu finanzieren. Wenn wir das Problem des Weltraummülls überhaupt angehen wollen, brauchen wir finanzielle Mittel. Die Menge an Großschutt ist bereits umfassend katalogisiert. Dies ist durch die Vervollständigung einer nachverfolgbaren Liste großer Trümmer aus Empfehlung 1 möglich.

Der NASA-Bericht liefert Kosteninformationen für die Anspornung aufstrebender Raumfahrtindustrien, in Werkzeuge und Infrastruktur zur Trümmerbeseitigung zu investieren, um die Wirkung zu maximieren. Die NASA gibt die voraussichtlichen Vorab-/Unterhaltskosten für das Recycling von Trümmern und die Kosten für die Entfernung großer Trümmer an. Da durch Nudges mehr Geld gespart werden kann und Kollisionen dennoch sinnvoll verhindert werden können, kann dies Raum für die Entwicklung von ISAM-Fähigkeiten für das Recycling schaffen.

Empfehlung 3. Das Office of Space Commerce der NOAA sollte gemeinsam mit der Space Force und dem ODPO der NASA gemeinsam einen jährlichen Forschungsbericht herausgeben, der Risiken, Kosten-Nutzen-Analysen und die Wirtschaftlichkeit der Entfernung und des Recyclings von Trümmern aus der Umlaufbahn darlegt.

Eine regelmäßige Kosten-Nutzen-Analyse kann Unternehmen dabei helfen, den Umfang ihrer eigenen Recycling- und Weltraumschrott-Beseitigungsbemühungen einzuschätzen. Die Kosten-Nutzen-Analyse der NASA steht im Einklang mit der Absicht dieser Empfehlung. Der NASA-Bericht dient auch als gute Grundlage für zukünftige wiederkehrende Analysen.

Der Weltraummüll wird nicht verschwinden, aber wir können damit beginnen, die von ihm ausgehende Bedrohung zu minimieren.

Aus dem NASA-Bericht geht hervor, dass ein sofortiges Handeln nur minimale finanzielle Nachteile mit sich bringt und innerhalb weniger Jahre eine große Wirkung auf die Beseitigung von Trümmern hat. Technologien wie Boden- und Weltraumlaser-Nudges bieten kostengünstige Alternativen zu anderen derzeit verwendeten Methoden zur Trümmerminderung. Der Bericht bietet auch Einblicke in das Verständnis der Industrie über die tatsächlichen finanziellen Kosten, die mit der Reinigung von Weltraumschrott verbunden sind. Dies kann Anreize für Innovationen schaffen und noch kostengünstigere Technologien zur Verwaltung und Beseitigung von Schmutz schaffen. Auch das Problem des Weltraummülls muss dringend angegangen werden: Die bestehende staatliche und kommerzielle Infrastruktur der USA (die Internationale Raumstation sowie kommerzielle Internet- und Wissenschaftssatelliten) ist gefährdet. Je schneller der Weltraummüll angegangen wird, desto mehr Weltrauminnovationen und Erfindungen werden wir in den kommenden Jahrzehnten erleben.

Die Nachhaltigkeit und Sicherheit der äußeren Erdumlaufbahn sowie der zukünftige Erfolg von Startmissionen hängen von der Beseitigung des seit sechzig Jahren angesammelten Weltraummülls ab.

Amerikas Führungsrolle in der Weltraumforschung könnte durch einen grundlegend anderen Ansatz für Weltraumoperationen erheblich beschleunigt werden.

Der Weltraum läuft Gefahr, das Äquivalent der „treibenden Plastikinsel“ des Ozeans zu entwickeln.