Astroscale: der erste kommerzielle Dienstleister fürs Weltraumputzen

Heute war ich bei einem Vortrag des japanischen Unternehmers Nobuo Okada, Gründer und CEO des Start-Ups Astroscale. Okada nahm im Jahr 2013 an der sechsten europäischen Konferenz zum Thema Weltraumschrott teil. Ich übrigens auch. Aber anders als bei mir hatte diese Konferenz auf Okada eine Auswirkung, die sein Leben verändern sollte. Er entschloss sich spontan, eine Firma zu gründen, mit dem Ziel, kommerzielle Dienstleistungen zur Beseitigung von Weltraumschrott abzubieten. Also sozusagen ein Spezialist fürs Weltraumputzen.

Okada wusste nach einigem Bekunden damals noch nicht viel über Weltraumtechnik. Er begann mit 200,000$ Startkapital. Nicht ganz wenig für ein Ein-Mann-Startup, aber für eine Firma, die im Space-Segment etwas reißen will, eher wenig. Allerdings scheint er etwas vom Firmengründen zu verstehen, denn sechs Jahre später gibt es Astroscale immer noch.Sie ist von einem Einmannbetrieb zu einem Kleinunternehmen mit mehr als 50 Mitarbeitern gewachsen. Auf die 200,000$, die Okada eingebracht hat, haben Finanziers nochmals 50 Millionen draufgelegt. Astroscale hat Büros in Singapur, Japan und England, die Eröffnung einer US-Niederlassung steht bevor.

Das Problem, zu dessen Lösung Astroscale beitragen will: Im erdnahen Orbit befinden sich mehr als 20,000 menschengemachte Objekte, die groß genug sind, um von der Erde aus getrackt zu werden, zumeist via Radar. Dazu noch – laut Hochrechnungen – mehr als 700,000 kleine Objekte, die zumeist aus großen Einzelobjekten entstanden sind, bis hinunter zu kleinen und kleinsten Metalltröpfchen vom Kühlmittel aus Kernreaktoren, wie sie früher in manchen militärischen Satelliten verwendet wurden.

Wir haben schon vor mehr als einem Jahrzehnt festgestellt, dass der Weltraumschrott bereits eine kritische Grenze überschritten hat.  Selbst wenn jetzt kein Satellit mehr gestartet würde, nähme die Anzahl der Schrott-Teile im Weltraum erst einmal weiter zu. Hauptschuldiger sind alte Oberstufen und ausgediente Satelliten, manche davon aus der Anfangszeit der Raumfahrt. In den Tanks dieser Burschen sind Reste von Treibstoff und Oxidator – so genannte hypergole Treibstoffe, die bei Kontakt miteinander spontan zünden. Sie kommen miteinander in Kontakt, wenn Tanks oder Rohrleitungen aufgrund der thermischen Spannungen beim Eintritt und Austritt aus dem Erdschatten undicht werden, was zwangsläufig irgendwann einmal der Fall ist. Bei der dann folgenden Explosion entstehen aus einem großen Objekt unzählige kleinerer. Zudem ist es bereits zu Kollisionen gekommen. Es gab sogar absichtlich herbeigeführte.

Die meisten der gefährlichen Altlasten stammen noch aus den 60er und 70ern. Aber auch heute trifft längst nicht jeder Betreiber notwendige Vorkehrungen zur Schrottvermeidung. Ich meine damit noch nicht einmal die beste und sicherste Methode, den kontrolliert herbeigeführen Wiedereintritt in die Atmosphäre. Selbst kleinere Maßnahmen wie das Passivieren von Batterien oder das Entleeren von Tanks bei Missionsende ist noch lange nicht der Normalfall. Oft deswegen nicht, weil der Betreiber das nicht vorgesehen hat. Manchmal aber auch deswegen nicht, weil er es nicht kann, wenn der Satellit unerwartet kaputt gegangen ist.

Der Zeitpunkt der Gründung von Astroscale ist ziemlich gut gewählt. Zum einen erlebt die Raumfahrtbranche einen massiven Umbruch – weg von staatlichen, hin zu kommerziellen Akteuren. Ein Megatrend sind Riesenkonstellationen kleiner Satelliten wie bei OneWeb. Dieser Anbieter will viele Hundert oder gar Tausende kleiner Satelliten von weniger als 200 kg Masse in Kreisbahnen von 1200 km Höhe positionieren. Schon ab 800 km Höhe reicht die Abbremsung durch die Restatmosphäre nicht aus, um kaputte Satelliten zuverlässig und schnell zum Absturz zu bringen, bevor sie ein Problem werden. Im Gegenteil, die Lebensdauer von Schrott-Teilen bemisst sich dort in Jahrhunderten. Der Betreiber wird also zum Problem für sich selbst. Die einzige Lösung ist aktive Schrottentfernung.

Zum zweiten ist generell das Problembewusstsein in der Branche gewachsen und damit die Bereitschaft, Geld in die Hand zu nehmen, um alte Stufen und Satelliten herunter zu holen, die zwar defekt und unkooperativ, aber noch physisch intakt sind. Jeder weiß um die Gefahr einer lawinenartig fortschreitenden Zunahme der Schrott-Teile infolge einer massiven Kollision. Wenn man es dazu kommen ließe, wäre auf lange Zeit keine Nutzung des erdnahen Weltraums mehr möglich, mit verheerenden Folgen für die hochtechnisierte Industriegesellschaft.

Zum dritten steigt das Interesse an zuverlässigen Optionen zur Verlängerung der operationellen Lebensdauer von geostationären Nachrichtensatelliten, die sonst wegen Spritmangels ausrangiert und auf eine Friedhofsbahn verbracht werden müssten.

Also ist durchaus ein Markt für einen Putzdienst da. Allerdings ist es durchaus nicht trivial, solche Dienstleistungen anzubieten. Das macht man nicht mal eben so. Astroscale hatte zunächst vor, zwei Arten von Weltraumhardware zu entwickeln und einzusetzen.

Das erste Projekt unfasst den 25 kg-Mikrosatelliten “IDEA OSG-1“. Dieser soll Daten zur Flussdichte von mikrosppischen Trümmerteilchen erheben. Ein erstes Exemplar des OSG-1 sollte Ende November 2017 beim zweiten Start vom neuen russischen Kosmodrom Vostochny ins Orbit gebracht werden – die Rakete versagte jedoch. Nach dem Fehlstart des ersten OSG-1 beschloss Astroscale, sich auf sein zweites Projekt zu fokussieren: “ELSA-d“, einen Demonstrator für einen Satelliten zur aktiven Entfernung von Weltraumschrott. ELSA-d soll Anfang 2020 starten und besteht aus einem kleinen Zielmodel, das vom größeren Einfangsatelliten ausgesetzt, wiedergefunden und eingefangen werden soll.

Wenn die Einfangtechnik demonstriert und perfektioniert und ein zur Massenfertigung tauglicher Satellit entwickelt worden sein wird, wird Astroscale seinen Kunden auferlegen, an allen ihren Satelliten eine “Docking plate” anzubringen, die die Navigation des einfangenden Satelliten bei der Annäherung und das magnetische Andocken und Festhalten unterstützt. Nach erfolgreichem Andocken sind der zu entfernende Satellit und der Einfangroboter von Astroscale eine Einheit, die kontrolliert in die Atmosphäre gelenkt werden und dort verglühen. Okada hofft, dass die schiere Marktmacht des wichtigsten, aber angeblich nicht einzigen Zielkunden OneWeb dazu führen wird, dass eine Docking Plate definiert wird, die zum Quasi-Industriestandard wird.

Laut Okada soll diese Technik nicht nur bei noch funktionierenden, also kooperativen Zielen einsetzbar sein, sondern auch bei defekten, unkooperativen und sogar taumelnden Objekten. Das wiederum finde ich zunächst einmal eine ziemlich steile Behauptung. Ein taumelnder Satellit dreht sich ja nicht unbedingt brav um eine seiner Hauptachsen, sodass die gefahrlose Annäherung möglich bleibt. Vielleicht kommt der Einfangroboter an die “Docking Plate” nicht heran. Viele Ziele haben auch gar keine – die haben noch nicht mal irgendeine Vorrichtung, an der sich ein robotischer Satellit festklammern könnte. Das wüde aber bedeuten, dass Astroscale auch keine Lösung für das bestehende Schrottproblem anbieten kann. An dieser Stelle fehlt mir allerdings die Hintergrundinformation. Vielleicht haben die auch etwas in petto, was sie nicht gleich publik machen wollen.

Nach dem Vortrag wurde Okada von einem Zuhörer nach den möglichen Folgen eines Fehlschlags beim Einfangversuch gefragt. Dieser könnte ähnliche Folgen wie eine Kollision haben, also de Erzeugung einer großen Menge von Schrott genau dort, wo man ihn nun ganz bestimmt nicht haben will, nämlich genau auf der operationellen Bahnhöhe eines großen Satellitennetzwerks. Die Antwort fand ich nicht wirklich überzeugend – wenn ich sie richtig verstanden habe. Demnach soll das Risiko eines Fehlschlags durch alle möglichen automatischen Rückzugsoptionen und ständigen Kommandozugriff minimiert werden. Aber Technik kann auch versagen, und dann stellt sich schon die Frage nach der Haftung … und allen weiteren Konsequenzen.

Der folgende Film der Firma Astroscale zeigt das geplante Missionsprofil der Demonstratormission ELSA-d:

Meine Meinung? Ja, wir brauchen solche Dienste. Es muss etwas geschehen, bevor das Schrottproblem uns vollkommen entgleitet. Das wird ohne das Einfangen und Entfernen aus dem Orbit nicht gehen. Aber ich habe Zweifel, ob es eine gute Idee ist, viele, viele Kleinsatelliten auf so hohen Bahnen zu positionieren, wie es die Betreiber großer Netzwerke vorsehen. Fail-Safe finde ich generell besser als ein noch so gutes aktives Verfahren, um ein Schrott-Problem zu lösen. “Fail Safe” würde aber bedeuten, sich von vorneherein auf wesentlich niedrigere Bahnhöhen zu beschränken. Das allerdings ist aber keine Bemerkung, die primär an die Addresse von Astroscale geht.

Ich bin Luft- und Raumfahrtingenieur und arbeite bei einer Raumfahrtagentur als Missionsanalytiker. Alle in meinen Artikeln geäußerten sind aber meine eigenen und geben nicht notwendigerweise die Sichtweise meines Arbeitgebers wieder.

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  1. Zitat: Aber ich habe Zweifel, ob es eine gute Idee ist, viele, viele Kleinsatelliten auf so hohen Bahnen zu positionieren, wie es die Betreiber großer Netzwerke vorsehen.
    Ja, für Telekommunikationssatelliten wären sogar möglichst tiefe Bahnen allein schon aus kommunikationstechnischen Gründen von Vorteil wegen der geringeren Verzögerung bei der Punkt zu Punkt Kommunikation (Zitat Starklink-Wikipedia: Der Internetverkehr über einen geostationären Satelliten hat eine theoretische Mindestlatenzzeit von mindestens 477 ms (zwischen Benutzer und Ground Gateway), aber in der Praxis bieten aktuelle Satelliten Latenzen von 600 ms oder mehr. Starlink-Satelliten würden bei 1/30 bis 1/105 der geostationären Bahnen umkreisen und bieten somit praktischere Latenzen von etwa 7 bis 30 ms, vergleichbar oder sogar über den bestehenden Kabel- oder Glasfasernetzwerken.).
    Auch die Basisstationen könnten mit geringerer Leistung betrieben werden, wenn die Satelliten tiefer und damit näher an der Basisstation sind. Allerdings bedeutet ein sehr tief fliegendes Netzwerk von Kommunikationssatelliten auch, dass es sehr viele von ihnen benötigt um den ganzen Globus abzudecken.
    Musk plant mit den 12’000 Starlink-Satelliten, die in den 2020er-Jahren ausgesetzt werden sollen tatsächlich zwei Orbitebenen – eine höhere bei 1100 km Höhe bestehend aus 4’425 Satelliten und eine sehr tiefe bei 340km bestehend aus 7’518 Satelliten. Dabei werden zuerst die 4’425 höher kreisenden Satelliten platziert und erst später die 7’518 tiefer kreisenden Satelliten. Starlink zeigt exemplarisch, dass eine komplette Funkabdeckung mit Satelliten in sehr erdnahen Orbits sehr viele Satelliten benötigt (siehe Starlink explained)

    • Die Verwendung einer extrem großen Anzahl von kleinen, massenproduzierten Satelliten wird zu einem Kostendruck führen. Solche kleinen Satelliten können einfach nicht den Grad von Redundanz aufweisen, der bei heutigen Satelliten üblich ist. Die Konsequenz wird eine höhere Ausfallrate sein. Das muss man einfach hinnehmen, sonst wird das Ganze unbezahlbar.

      Angebommen, die Ausfallrate liegt im einstelligen Prozentbereich, dann kommt da schon eine ganze Menge an zu entsorgenden Objekten zusammen.

      OneWeb plant nach meiner Kenntnis den Start in ein niedrigeres Orbit, von wo aus die einzelnen Satelliten sich selbst mit einem Ionenantrieb in die Zielbahn heben. Wenn das immer noch so geplant ist, werden wenigstens die Satelliten, die von vorneherein kaputt sind, nicht die Zielbahn verschmutzen und auch kein langfristiges Problem darstellen.

  2. Die Atmosphäre als Müllverbrenner.
    Mit dem Verglühen eines Satlliten in der Atmosphäre scheinen ja alle Probleme beseitigt zu sein??
    Wie steht es mit den radioaktiven Schwermetallen, wenn die in der Atmosphäre verglühen. Wie lange dauert es , bis deren Schmelzprodukte die Erdoberfläche erreichen. Plutonium soll ja in geringsten Mengen noch giftig sein. Auf Dauer scheint mir das Verglühen nur ein Aufschub in die Zukunft.

    • Plutonium wird sich wohl nur in den seltensten Fällen an Bord von Oberstufen oder Satelliten befinden. Für übliche Oberstufen und Satelliten ist der kontrollierte Wiedereintritt eine vollkommen problemlose Art der Entsorgung. Das Problem liegt darin, sicherzustellen, dass der Wiedereintritt stattfindet.

  3. @Novidolski: In Telekommunikationssatelliten hat es keine radioaktiven Stoffe. Nur gerade Satelliten mit einer RTG-Energiequelle oder einem kleinen nuklearen Reaktor enthalten solche radioaktiven Stoffe. Solche Satelliten werden heute für einige der Missionen an erdferne Ziele verwendet. Früher allerdings wurden sie auch für Satelliten in Erdumlaufbahnen benutzt. Eine komplette Liste aller solcher Satelliten befindet sich unter Nuclear Powered Payloads.
    Mehrere sowjetische Radarsatelliten mit hohem Energiebedarf wurden mit kleinen Nuklearreaktoren versehen. Dazu liest man auf der schon zitierten Website (übersetzt von DeepL): US-A (Upravlenniye Sputnik Aktivny) waren aktive Radarsatelliten für die Meeresüberwachung. Der hohe Stromverbrauch des aktiven Radars erforderte einen Kernreaktor als Energiequelle. Die Satelliten waren im Westen als RORSAT bekannt.

    Am Ende der Mission wird der Reaktorraum getrennt und in eine höhere Speicherumlaufbahn gebracht. Beginnend mit Kosmos 1176 wurde auch der Reaktorkern ausgestoßen, um zu verhindern, dass im Falle eines Wiedereintritts radioaktives Material in den Boden gelangt.

    1973 erreichte ein US-A-Satellit nicht die Umlaufbahn und verbrannte. Zwei Missionen konnten ihren Reaktor nicht in den sicheren Orbit bringen. Der Reaktor des Kosmos 954 wurde über Kanada wieder betreten und verschmutzte eine Fläche von 124000 m². Kosmos 1402 warf den Reaktorkern vor dem Wiedereintritt aus. Der ungeschützte Kern brannte über dem Südatlantik nieder.

    Fazit: Satelliten in Umlaufbahnen um die Erde mit Kernreaktoren oder RTG’s scheinen heute der Geschichte anzugehören. Sie werden heute nicht mehr eingesetzt.

  4. @Michael Kahn (Zitat): Angenommen, die Ausfallrate liegt im einstelligen Prozentbereich, dann kommt da schon eine ganze Menge an zu entsorgenden Objekten zusammen.
    Diese zu entsorgenden Objekte wären also potenzielle Entsorgungsobjekte für Astroscale. Astroscale müsste einen Entsorgungsauftrag von den Betreibern der Satelliten erhalten, damit es überhaupt aktiv werden kann und mit der Erfüllung des Auftrags Geld verdient. Die Frage ist hier aber, ob der Satellitenbetreiber überhaupt je einen solchen Entsorungsauftrag vergibt, wenn er nicht dazu gezwungen wird. In meinen Augen kann Astroscale nur dann profitabel werden, wenn Gesetze erlassen werden, die die Betreiber von Satellitenflotten verpflichten, funktionsuntüchtige Satelliten zu entsorgen. Nach meinem Wissen gibt es bis heute noch kein solches Gesetz.

  5. Laut Aussage des CEO und Firmengründers Nobuo Okada wird die Vereinbarung zur Entsorgung schon im Vorfeld getroffen und der Betreiber des Satellitennetzwerks wird mit dem Anbieter der Entsorgungsdienstleistung die regularien, auch die technischen, festlegen.

    Zentrales Element ist die “Docking Plate”, die das Rendezvous und das Andocken ungemein vereinfacht und das Risiko eines Fehlschlags deutlich vermindert. Wie schon im Artikel angesprochen. Die muss aber schon vor dem Start genau definiert und an jedem Satelliten angebaut werden. Wahrscheinlich wird es noch weitere Anforderungen geben, die die Entsorgung vereinfacht.

    Ich denke nicht, dass beispielsweise OneWeb da irgendeine Wahl hat. Ein Betreiber, der ein System mit, sagen wir, 20 Satelliten aufziehen will, kann das Risiko eingehen, mit einem kaputten Satelliten zu leben. Ein Betreiber, der 1000 Satelliten in derselben Bahnhöhe platziert, kann es aber nicht hinnehmen, dass Dutzende oder gar Hunderte Zombies durch seine aktive Konstellation geistern. Wenn es auch nur ein Mal kracht, können Folgekosten entstehen, die das, was die an Astroscale bezahlen müssten, weitaus übersteigen.

    Im schlimmsten Fall kommtes zum Totalausfall des Systems, und zudem auch noch zur permanenten Unbrauchbarkeit der betreffenden Region im LEO. Es gibt dann ja auch noch andere Konkurrenten, die sich das nicht gefallen lassen würden, zumal ja wahrscheinlich zurückverfolgt werden kann, an wem es gelegen hat.

    Wenn’s kracht, wird es richtig teuer. Das weiß jeder. Deswegen investiert man lieber in den Putzdienst.

    Meine Sorge ist allerdings, dass das vielleicht nicht so zuverlässig funktioniert, wie Herr Okada sich und der Öffentlichkeit das vorstellt. Wir wäre wohler, wenn man solche Konstellationen nicht in so großer Höhe installieren würde. Vorkehrungen hin oder her.

  6. @Michael Khan: Kessler (der Owner des Kessler-Syndroms) und Alice Gorman (Orbital Debris Studies, South Africa Uni.) zeigen sich beide besorgt über die hohen geplanten Umlaufbahnen der Starlink-Satelliten.

    Aussage Kessler: “They’re assuming that above 1,000 kilometers it’s almost empty and we won’t run into problems, but that’s not the case,” said Kessler.
    Aussage Alice Gorman:“Das ist ein ernstes Problem”, sagte Alice Gorman, die an der Flinders University in Südaustralien Orbitalschutt und Weltraumarchäologie studiert, in einem Interview. “Eintausend Kilometer sind viel zu hoch, als dass das Material schnell wieder in die Atmosphäre eintritt. könnte.”
    Aussage Patricia Cooper (SpaceX’s vice president of Satellite Government Affairs): “Als Unternehmen engagieren wir uns zutiefst für die Aufrechterhaltung einer rückstandsfreien Umgebung im Weltraum, und unser Satellitensystem wurde durchdacht entwickelt, um alle bestehenden Anforderungen an die Sicherheit des Betriebs im Weltraum und beim De-orbit zu erfüllen oder zu übertreffen”, ….. “SpaceX entwickelt unsere Satelliten so, dass sie in ihrem Leben tausende Male manövrieren können”, fügte sie hinzu.

    Das alles zitiere ich aus dem Artikel SpaceX’s plan to beam down internet from space comes with a big debris problem.

    Zur rechtilichen Situation liest man dort: “Es gibt keine verbindlichen Gesetze oder Vereinbarungen, die das Management von Weltraummüll erfordern”, sagte Lisa Ruth Rand, die die Geschichte der Wissenschaft und Technologie an der University of Wisconsin-Madison studiert.
    Ohne solche Vereinbarungen, wenn irgendetwas Elon Musk’s Weltraumunternehmen davon überzeugen wird, die Trümmer von Tausenden von Satelliten verantwortungsbewusst zu mildern, “ist es der Anreiz von Normen”, sagte Rand.
    “Letztendlich, wenn er im Weltraum sein wird, will er, dass andere Leute den Raum frei halten, also sollte er es auch”, sagte sie.

    Übersetzt mit http://www.DeepL.com/Translator

    • Wie gesagt, alle Betreiber von solchen Riesenkonstellationen wissen um das Risiko, dem ihre riesige Investition ausgesetzt ist, wenn sie das Problem der Reinhaltung des Orbits nicht wirklich Ernst nehmen.

      Ich denke, es ist nicht etwa nur eine gewisse, niedrige Wahrscheinlichkeit, dass man die ganze Konstellation verliert und sie auch nicht wieder ersetzen kann, wenn man nicht peinlich genau putzt. Es ist eine hohe Wahrscheinlichkeit.

      Genau deswegen ist mir auch unwohl bei der Sache. So ganz einfach ist das Andocken und Deorbitieren nicht. Nichts in der Raumfahrt ist ganz einfach. Es kann auch in die Hose gehen, und zwar so, dass sich das Zielobjekt und der Einfangroboter beide in kleine Teilchen zerlegen. Oder aber, ein böse meinender Dritter könnte auf die Idee kommen, den Volkswirtschaften, die voll auf solche Netzwerke setzen, absichtlich Schaden zuzufügen.

      Auf das Risiko hin, mich zu wiederholen: Mir wäre es lieber, man würden solche Megakonstellationen in deutlich weniger als 700 km Höhe erstellen. Warum? Darum –> Click

    • @The Karl Bednarik: Bei Hyperschallgeschwindigkeit, die etwa eine Größenordnng über der Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit liegt, würde sich das Öltröpfchen beim Impakt wie ein Festkörper verhalten. Das heißt, die von Ihnen vorgeschlagene Methode liefe darauf hinaus, einen Haufen kleiner Schrotkugeln in der operationellen Bahn der Konstellation auszustreuen. Das halte ich nicht für eine gute Idee.

  7. Hallo Michael Khan,
    vielleicht könnte man Nanopartikel oder Makromoleküle verwenden.
    Noch kein Gas, das sich verflüchtigt, aber so klein wie möglich.
    Das Fulleren C60 sublimiert ungefähr bei 400 Grad Celsius.
    Ein wenig schwerer vielleicht, aber nicht viel schwerer sollte es sein.

  8. Nachtrag:
    Es wären zum Beispiel pyrotechnische Ladungen vorstellbar, die sehr feine mineralische Staubpartikel erzeugen, wie etwa aus Aluminiumoxid.
    Die Schrotttrümmer müssten dann ständig durch diesen gegenläufigen Staubtorus fliegen.

  9. @Karl Bednarik,

    das Problem mit Schrott ist die Kollisionsgefahr, wenn die Bahn des Schrott-Teilchens sich immer wieder mit der Bahn eines oder mehrerer noch funktionierenden Satelliten kreuzt. Der vorgeschlagene Staub- oder Nebel-Torus würde ebenfalls die Bahn intakter Satelliten kreuzen. Es dürfte kaum möglich sein, die Staubteilchen oder Flüssigkeitströpfchen so klein zu bekommen, daß diese Begegnungen keine Auswirkung haben.

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