Climate change is impacting space, particularly affecting satellites and space debris. As the upper atmosphere cools due to rising CO2 levels, satellites in lower orbits experience less drag, allowing them to remain in space longer. However, this poses challenges for end-of-life disposal and increases the duration that space debris remains in orbit. Experts warn of a potential Kessler syndrome, where collisions generate more debris, complicating future satellite operations and necessitating stricter regulations on satellite launches.
Der Einfluss des Klimawandels auf den Weltraum
Der Klimawandel hinterlässt selbst in den Weiten des Weltraums seine Spuren. Satelliten und Weltraummüll sind betroffen, da ihre Verweildauer im All zunimmt, was das Risiko von Kollisionen erhöht. Dieses überraschende Phänomen steht in direktem Zusammenhang mit dem Treibhauseffekt.
Treibhausgase erwärmen die Luft in der untersten Schicht der Atmosphäre. In höheren Schichten jedoch führt der steigende CO2-Gehalt zu einer Abkühlung, da das Gas mehr Infrarotstrahlung abgibt. Diese Abkühlung bewirkt, dass sich die oberen Luftschichten, wie die Thermosphäre in einer Höhe von 80 bis 600 Kilometern, zusammenziehen.
Satelliten, die sich in den niedrigeren Erdorbits zwischen 200 und 1000 Kilometern befinden, werden daher in Zukunft seltener mit Molekülen der oberen Luftschichten kollidieren. Sie erfahren weniger Verzögerung, was bedeutet, dass sie länger im All bleiben können.
Risiken und Herausforderungen im Weltraum
Auf den ersten Blick mag es vorteilhaft erscheinen, wenn Satelliten länger um die Erde kreisen, da sie über einen längeren Zeitraum genutzt werden können. Allerdings wird es auch schwieriger, sie nach Ablauf ihrer Betriebszeit zu entsorgen.
Normalerweise dürfen Satelliten in den niedrigsten Umlaufbahnen am Ende ihrer Lebensdauer eigenständig abstürzen und in der Atmosphäre verglühen. Durch die Schrumpfung der oberen Luftschichten verlängert sich jedoch die Zeitspanne, bis dieser automatische Absturz erfolgt.
Ein weiteres Problem ist, dass auch Weltraummüll länger im All verweilt. Wenn sich die Atmosphäre zurückzieht, benötigen Trümmerwolken, die durch Kollisionen von Satelliten oder anderen Objekten entstanden sind, deutlich länger, um abzusinken.
Experten befürchten seit einiger Zeit, dass es irgendwann zu einem Schneeballeffekt im Weltraum kommen könnte: In diesem Szenario würde neuer Müll durch Kollisionen entstehen, was zu weiteren Kollisionen führt – bekannt als das Kessler-Syndrom. Dieses Phänomen ist nach dem amerikanischen Astronomen Donald Kessler benannt, der bereits 1978 vor dieser Gefahr warnte.
William Parker vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge hat zusammen mit zwei Kollegen aus Großbritannien untersucht, wie sich der Klimawandel auf das Risiko des Kessler-Syndroms auswirkt. Die Fähigkeit der niedrigen Orbits, Satelliten aufzunehmen, ohne das gefährliche Kessler-Syndrom auszulösen, könnte durch den Klimawandel erheblich eingeschränkt werden. Dies erläuterten die Autoren in der Fachzeitschrift “Nature Sustainability”.
Für die beliebtesten Satellitenorbits in Höhen zwischen 400 und 1000 Kilometern erwarten Parkers Team eine Kapazitätsreduktion von 33 bis 40 Prozent bis zum Jahr 2100, vorausgesetzt, es gibt hohe Treibhausgasemissionen und wenig ambitionierten Klimaschutz auf globaler Ebene.
“Um das Risiko des Kessler-Syndroms auf dem gleichen Niveau zu halten, sollten wir in Zukunft weniger Müll produzieren”, sagt Parker. Die beste Lösung wäre, die Anzahl der Satellitenstarts zu begrenzen.
Die Autoren präsentieren in ihrer Studie auch ein Worst-Case-Szenario: Bei extrem hohen Treibhausgasemissionen könnte die Kapazität der beliebtesten Orbits um bis zu 80 Prozent sinken. Solch hohe Emissionen werden jedoch als unrealistisch angesehen.
Die Probleme im Weltraum wurden bereits zuvor untersucht, so Thierry Dudok de Wit vom International Space Science Institute in Bern, der an der Studie nicht beteiligt war. Die neue Arbeit bietet eine erste Schätzung, wie groß der Effekt sein könnte, basierend auf einem stark vereinfachten Modell. In der Realität ist die Situation jedoch komplexer, da Satelliten und Weltraummüll in verschiedenen Größen vorkommen, während im Modell alle gleich groß sind.
In den letzten Jahren hat die Anzahl der Satelliten stark zugenommen; derzeit sind es etwa 10.000, darunter mehr als 6.000 aktive Satelliten des Starlink-Netzwerks von Elon Musk. Für die Zukunft wird ein weiteres starkes Wachstum der Satellitenanzahl prognostiziert, bis 2030 könnten über 100.000 neue Satelliten im All sein.
Bisher gab es nur wenige Kollisionen. Der größte Teil des Weltraummülls stammt von einer Kollision zweier Satelliten im Jahr 2009 und von der gezielten Zerstörung eines Satelliten mit einer chinesischen Rakete im Jahr 2007, erklärt Parker.
Angesichts der rasanten Zunahme von Satelliten gibt es verschiedene Bemühungen, die Gefahren durch Weltraummüll zu mindern. Dazu gehören unter anderem vermehrte Ausweichmanöver und beschlossene Präventivmaßnahmen.
Die Europäische Weltraumagentur empfiehlt beispielsweise, Satelliten fünf Jahre nach dem Start stillzulegen – entweder durch kontrolliertes Abstürzen oder durch Versetzen in eine sogenannte Friedhofsbahn. Die Federal Communications Commission in den USA hat eine ähnliche Regelung erlassen. Zurzeit fehlt es jedoch an internationaler Koordination, sagt Dudok de Wit.
Wissenschaftler müssen für ihre Studien zu diesem Thema viele Annahmen treffen, und die Ergebnisse sind oft unsicher. Ein weiterer wichtiger Faktor, der die Ausdehnung der oberen Atmosphärenschichten beeinflusst, ist die Sonne. Ihr Verhalten stellt die größte Unsicherheit dar, sagt Parker.
Der Einfluss der Sonne schwankt mit dem 11-jährigen Zyklus der Sonnenaktivität. Wenn der zentrale Stern besonders aktiv ist und mehr Strahlung zur Erde sendet, dehnen sich die oberen Luftschichten aus. Umgekehrt ziehen sie sich zusammen, wenn die Sonne ruhig ist. Dieser Effekt überlagert sich mit der Schrumpfung der oberen Atmosphäre, die durch den Anstieg von CO2 verursacht wird.
“Für unsere Studie haben wir angenommen, dass der Sonnenzyklus in Zukunft ähnlich verlaufen wird wie in den letzten 60 bis 70 Jahren”, erklärt Parker. Doch das muss nicht so sein; die Sonne kann sich ganz anders verhalten. Sollte es erneut zu einem signifikanten, jahrzehntelangen Aktivitätsminimum kommen, wie etwa vor 350 Jahren, würde sich die obere Atmosphäre deutlich zusammenziehen – dies würde die CO2-induzierte Schrumpfung verstärken. Dann müssten Satellitenstarts erheblich angepasst werden.