Perlenketten am Nachthimmel – Das Satelliten-Projekt Starlink

Das visuelle Schauspiel wie auch das ambitionierte Mammutprojekt an sich faszinieren. Im Interview erläutern Prof. Felix Huber und Dr. Manfred Gaida die Hintergründe der Mission. Sie sprechen über die astronomischen und raumfahrttechnischen Auswirkungen der "Lichterketten" am Nachthimmel und antworten auf Fragen, die das DLR nach einem Aufruf in den sozialen Netzwerken erreichten.

Felix Huber ist Direktor der DLR-Einrichtung Raumflugbetrieb und Astronautentraining. Das ist die zentrale Institution für die Durchführung von Raumflugmissionen in Deutschland. Manfred Gaida ist Astronom und wissenschaftlicher Mitarbeiter im DLR Raumfahrtmanagement und Experte für die satellitengestützte Erforschung des Weltalls und optische Astronomie.

Das Gespräch führte Philipp Burtscheidt.

Am kommenden Sonntag, 17. Mai 2020 startet das achte "Päckchen" von 60 Starlink-Satelliten. Was steckt hinter der Mission?

Huber: Elon Musk möchte Internet aus dem Weltall ermöglichen, zunächst für die USA und später für die ganze Welt. Für entlegene Regionen ist das zum Teil die erste Chance überhaupt, schnellen Internetzgang zu erhalten. Dazu benötigt Musk tausende Satelliten, um die Verbindung unterbrechungsfrei und mit hoher Bandbreite aufrechtzuerhalten. Die Flughöhen sind mit 500 bis 600 Kilometer relativ nah an der Erde, sodass er für die volle Starlink-Abdeckung sehr viele Satelliten braucht.

Ein Nutzer berichtet auf Facebook: Ich konnte den "Train" schon einige Male beobachten. Aber die Satelliten hatten immer einen Abstand von ein paar Sekunden. Es sah nicht so wie auf vielen Videos auf Youtube aus. Wann sieht man die enge "Perlenkette"? Vielleicht nur kurz nach dem Start und später driften sie auseinander?

Huber: Genauso ist es. Zusammen sind die Satelliten nur unmittelbar nach dem Aussetzen. Danach werden sie durch ihre Eigengeschwindigkeit oder das On-board-Triebwerk "auseinandergezogen", sodass sie sich in der Orbitebene gleichmäßig verteilen. Nach dem Aussetzen sieht man eine kurze Zeit die "Perlenkette" am Himmel und – etwas "größer" und weiter weg – die ausgebrannte Raketenstufe.

Die ESA musste letzten September mit ihrem Satelliten Aeolus ein Ausweichmanöver fliegen, um die Kollisionen mit einem Starlink-Satelliten zu vermeiden. Es wird voll im erdnahen Weltraum.

Gaida: Wenn das Starlink-System operationell voll aufgebaut ist, haben wir rund fünfmal mehr Satelliten im Orbit, als sich derzeit im All befinden; Stand 30. September 2019 waren das 2218 Stück. Für Hobby-Astronomen war es in den 70er Jahren eher noch ein Zufall, wenn sie einen Satelliten beobachten oder ihn fotografisch aufnehmen konnten. Man war regelrecht stolz, wenn eine Aufnahme mit einer zufälligen Satellitenspur gelang. Das ist heute schon anders.

Huber: Es wird sehr eng. Wir haben aktuell bereits 30.000 Trümmerstücke im Orbit. Für das Starlink-System sollen nun 12.000 Satelliten dazukommen. Darunter wird es einen Prozentsatz an Ausfällen geben. Defekte Satelliten können nicht regulär "de-orbited" werden, also gezielt zum Wiedereintritt in die Atmosphäre und damit zum Verglühen gebracht werden. Wenn mehr als ein bis zwei Prozent der Satelliten nicht funktionieren, kommt es zu einem Kaskadeneffekt, dem sogenannten Kessler-Syndrom: Trümmerteile treffen auf weitere Trümmerteile und erzeugen so ein immer größeres Trümmerfeld. Nach aktuellen Meldungen funktionieren etwa fünf Prozent der Starlink-Satelliten nicht. Das ist kritisch.

Welche Auswirkungen wird der weitere Zuwachs an Satelliten auf die optische und die Radio-Astronomie haben?

Gaida: In der wissenschaftlichen Astronomie sind inzwischen ein paar Studien zu Mega-Konstellationen erstellt worden. So sagt eine aus, dass nach Sonnenauf- und Sonnenuntergang – wenn die Reflektivität der Satelliten jeweils am höchsten ist – bis zu drei Prozent der optischen Aufnahmen nicht brauchbar sind. Es gibt allerdings auch andere Zahlen: Am Vera C. Rubin Observatorium im Norden Chiles zum Beispiel soll ab dem übernächsten Jahr im Rahmen des sogenannten Legacy Survey of Space and Time (LSST) in jeweils nur drei Tagen mit einer speziellen Weitwinkelkamera ein Viertel des sichtbaren Himmels abgescannt und auf Veränderungen geprüft werden. Für diese weitwinkligen Himmelsdurchmusterungen gehen die Hochrechnungen dahin, dass 30 bis 50 Prozent der Aufnahmen beeinträchtigt werden. Das ist erheblich. Etliche Observatorien arbeiten daher jetzt mit SpaceX zusammen, um Gegenmaßnahmen zu erarbeiten.

Auch die Radioastronomen sind betroffen, da ihre empfindlichen Empfänger durch die Kommunikationssignale der Satelliten beim Überflug gestört werden können. Man muss bedenken, wie strahlungssensitiv radioastronomische Empfangssysteme sind: Ein Mobiltelefon auf den Mond wäre zum Beispiel für das 100-Meter-Radioteleskop in Effelsberg nach der Sonne und dem Supernova-Überrest Cassiopeia A die drittstärkste Strahlungsquelle.

Zwei Fragen wurden uns zum Thema Sichtbarkeit und Gegenmaßnahmen gestellt: Welche Technologien gibt es, um die Helligkeit eines Satelliten am Nachthimmel zu reduzieren? Kann man ihn "tarnen"? Inwieweit ist die Ankündigung von SpaceX durchführbar, die Ausrichtung der Solarpanelen so zu ändern, dass sie weniger reflektieren?

Huber: Man könnte die Satelliten "tarnen", indem man sie dunkler gestaltet. Allerdings: Sind sie dunkel, heizen sich die Satelliten durch die Sonnenstrahlung stärker auf. Diese Wärme muss wieder abgegeben werden. Und die Solarpaneele werden immer reflektieren, je nach Winkel mal mehr, mal weniger. Beide Möglichkeiten sind begrenzt.

Die Erde umkreisende Satelliten haben stets einen Einfluss auf die ganze Welt. Zugelassen werden Missionen von nationalen Behörden. So wurden die 12.000 Starlink-Satelliten von der US-amerikanischen Behörde FCC genehmigt, der Federal Communications Commission. Auf Twitter fragt eine Nutzerin: Kann man Satellitenmissionen verbieten?

Huber: Nein. Im Luftverkehr haben die Länder die Hoheit über ihrem Staatsgebiet und können Regeln für den eigenen Luftraum erlassen. Für das Weltall gibt es das nicht. Die nationalen Aufsichtsbehörden genehmigen einen Satellitenstart. Wird er genehmigt, darf geflogen werden.

Man bräuchte analog zum kontrollierten Luftraum einen kontrollierten Weltraum, der international koordiniert wird. Allerdings könnten Höhen unter 400 Kilometer auch weiterhin unkontrolliert bleiben, da Objekte dort noch stärker der Restatmosphäre unterworfen sind. Dieser Bereich "räumt" sich sozusagen selbst auf, da Satelliten durch die atmosphärische Reibung automatisch an Höhe verlieren und irgendwann verglühen. In den niedrigen Orbits ist die "Vermüllung" darum kein so großes Problem wie auf höher gelegenen Orbits.

Wozu benötigt Starlink die große Anzahl an Satelliten?

Huber: Für die globale Netzabdeckung reichen SpaceX ein paar tausend Satelliten, deutlich weniger als 12.000. Die enorme Menge brauchen sie zur Erhöhung der Bandbreite. Dennoch: Es gibt andere Konzepte, die mit deutlich weniger Satelliten auskommen.

Gaida: Die 12.000 sind die bislang genehmigten Satelliten, weitere 30.000 sind vorgesehen. Der gesamte Himmel hat eine Fläche von rund 42.000 Quadratgrad, sodass sich – statistisch betrachtet – in jedem Quadratgrad ein Starlink-Satellit aufhalten wird. Ein Quadratgrad entspricht dabei einer Fläche, die vier Vollmondscheibchen quadratisch angeordnet am Himmel einnehmen würden.

Nachhaltigkeit ist eines der aktuellen Schlagworte in Gesellschaft, Wirtschaft und Politik. Wie geht SpaceX mit dem Thema Weltraumschrott um?

Huber: Die Satelliten haben einen De-Orbit-Mechanismus und einen elektrischen Antrieb. Ein Satellit "lebt" im Schnitt fünf Jahre. Mit dem Schub des Antriebs soll er nach seiner Dienstzeit so weit nach unten gebracht werden, dass er "schnell" wieder eintritt. Aber was ist, wenn die Steuerung zum De-Orbit ausfällt? Dann kann es deutlich mehr als die geforderten 25 Jahre dauern, bis er soweit gesunken ist, dass er verglüht.

In Zahlen ausgedrückt: Bei einer fünfjährigen Dienstzeit und 30.000 Satelliten bedeutet dies, dass man jedes Jahr 6000 Satelliten ersetzen muss. Die 6000 alten Satelliten werden sich folglich zusätzlich pro Jahr durch die unteren Umlaufbahnen bewegen. Über die Jahre werden das erhebliche Mengen sein. Sie kreuzen die Bahnen tiefer fliegender Systeme – unter anderem auch die der Internationalen Raumstation ISS. Das alles kann man durchaus kritisch sehen.

Gaida: Hinzukommt, dass weitere Mega-Konstellationen geplant sind. Denken Sie an Amazon oder Samsung. Solche Missionen werden eine Größenordnung von weiteren zig-tausend Satelliten haben.

Huber: Richtig. Und ein weiteres Problem ist der elektrische Antrieb, mit dem Ausweichmanöver langsamer möglich sind als mit chemischen Antrieben. Oft muss man allerdings sehr kurzfristig ausweichen und schnell den Orbit ändern können. Je voller es im All wird, desto wichtiger werden Konzepte zum aktiven Entfernen von Weltraumschrott. Beginnt das Kessler-Syndrom, laufen wir Gefahr, dass der LEO, der erdnahe Orbit, dauerhaft vermüllt.

Ein globales Problem, das über nationale Entscheidungen kaum gelöst werden kann. Was passiert auf internationaler Ebene? Politisch und auch auf Ebene der Raumfahrtforschung und -industrie?

Huber: Ein Austausch findet statt. So informieren sich die großen Raumfahrteinrichtungen gegenseitig über Positionen und Größe von Trümmerteilen. Eine Art "Abschleppdienst" im Weltraum gibt es natürlich noch nicht.

Gaida: Offenbar arbeitet SpaceX mittlerweile mit zwei wichtigen astronomischen Organisationen zusammen: der Internationalen Astronomischen Union und der American Astronomical Society. Die erhalten Daten, mit denen sie Simulationen erstellen können, um die Auswirkungen von Störungen zu quantifizieren und Vorschläge zu erarbeiten, wie man zum Beispiel die Satelliten im Rahmen des Machbaren dunkler gestalten kann, so dass sie weniger Sonnenlicht reflektieren.

Huber: Diese Maßnahmen richten sich allerdings auf die optischen Störungen. Die Frequenzprobleme der Radioastronomie oder die durch Kollisionen und Trümmer werden damit nicht gelöst.

Haben Sie Vorschläge?

Huber: Man könnte es so regeln, dass die riesigen Satelliten-Konstellationen nur auf sehr niedrigen Orbits fliegen dürfen – bis 300 Kilometer. In diesen Höhen haben sie immer Atmosphärenreibung, die ein elektrischer Antrieb aktiv kompensieren muss. Wenn das System ausfällt, sinken die Satelliten automatisch bis zum Verglühen ab. Kollegen nannten das scherzhaft die "Huber-Orbits". Es wäre genau andersherum als heute praktiziert, wo das De-Orbiting in größeren Höhen erst aktiv eingeleitet werden muss.