TEIL C

Weltraum-Sonnensegel (5)

Im Juni 2020 veröffentlicht ein Team um Prof. Reinhard Dörner und seinen Doktoranden Sven Grundmann an der Goethe-Universität in Frankfurt einen Bericht unter dem Titel ‚Observation of Photoion Backward Emission in Photoionization of He and N₂‘, in welchem eine 90 Jahre alte Theorie bestätigt wird.

Wie dieser ganze Kapitelteil belegt, übt Licht auf einen Körper einen gewissen Druck aus, weshalb Sonnensegel auf diese Weise künftige Raumsonden antreiben sollen. Physikalisch und intuitiv kann der Licht- oder Strahlungsdruck mit den Teilcheneigenschaften von Licht erklärt werden: Die Lichtteilchen (Photonen) prallen auf die Atome eines Körpers und übertragen einen Teil ihres eigenen ‚Schwungs‘ (physikalisch: Impuls = Masse mal Geschwindigkeit) auf den Körper, der dadurch schneller wird.

Als Physiker im 20. Jahrhundert diese Impuls-Übertragung allerdings im Labor in Experimenten mit Photonen bestimmter Wellenlängen untersuchten, die aus Atomen einzelne Elektronen herausschlugen, stießen sie auf ein überraschendes Phänomen: Der Impuls des herausgeschlagenen Elektrons war größer als der des ankommenden Photons. Anders ausgedrückt: Wenn ein Photon auf ein einzelnes Molekül trifft und aus diesem ein Elektron herausschlägt, so fliegt das Molekül der Lichtquelle entgegen.

Dies ist eigentlich unmöglich, denn seit Isaac Newton ist bekannt, daß es in einem System für jede Kraft eine gleich große, aber entgegengesetzte Kraft geben muß, quasi den Rückstoß. Der Münchener Wissenschaftler Arnold Sommerfeld folgerte daher 1930, daß der zusätzliche Impuls des wegfliegenden Elektrons von dem Atom stammen muß, das es zurückläßt. Dieses Atom würde dann in die entgegengesetzte Richtung und damit auf die Lichtquelle zu fliegen. Nachmessen konnte man das mit den damals verfügbaren Instrumenten aber nicht.

Erst 90 Jahre später gelingt es den Atomphysikern, diesen Effekt mit dem an der Goethe-Universität  entwickelten COLTRIMS-Reaktionsmikroskop zu vermessen. Um aus Helium- und Stickstoffmolekülen Elektronen herauszuschlagen, nutzen sie Röntgenlicht an den Beschleunigern DESY in Hamburg und ESRF im französischen Grenoble. Die Bedingungen wählen sie dabei so, daß dafür jeweils nur ein Photon pro Elektron genügt.

In dem Reaktionsmikroskop können sie den Impuls von herausgeschlagenen Elektronen und den nunmehr geladenen Helium- und Stickstoffatomen – also Ionen – mit bislang unerreichter Genauigkeit bestimmen.

Prof. Reinhard Dörner erläutert das Ergebnis mit den Worten: „Wir konnten nicht nur den Impuls des Ions messen, sondern auch sehen, woher er kommt, nämlich vom Rückstoß des herausgeschlagenen Elektrons. Wenn Photonen bei solchen Stoßexperimenten niedrige Energien haben, kann man rechnerisch den Photonenimpuls vernachlässigen. Bei hohen Photonen-Energien führt das allerdings zu Ungenauigkeiten. In unseren Experimenten haben wir jetzt die energetische Schwelle bestimmen können, ab der der Photonenimpuls nicht mehr vernachlässigt werden kann. Unser experimenteller Durchbruch erlaubt uns jetzt, viele weitere Fragen zu stellen, wie etwa die, was sich ändert, wenn man die Energie auf zwei oder mehr Photonen verteilt.“

Es darf erwartet werden, daß die Resultate dieser Forschungen neue Impulse für die Weiterentwicklung von Solarsegeln geben werden.

René Heller vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung in Göttingen veröffentlicht im Juli 2020 zusammen mit Kollegen der Sternwarte Sonneberg, des Observatoire de Paris, des Institut de Ciències de l’Espai und des Institut d’Estudis Espacials de Catalunya in Spanien, sowie der University of California, Berkeley, die Studie ,Low-cost precursor of an interstellar mission’, in welcher ein vielseitiges Material für einen hocheffizienten Antrieb mit Sonnenlicht identifiziert wird.

Um die solare Schwerkraft zu überwinden, ist eine extrem geringe Masse pro Querschnittsfläche erforderlich. Aerographit ist ein synthetischer Schaumstoff, der aus einem Netzwerk von porösen Kohlenstoffröhrchen besteht, die dreidimensional auf Nano- und Mikroebene ineinander verwachsen sind. Mit einer Dichte von 0,18 mg/cm³ (15.000 Mal leichter als Aluminium) könnte eine Hohlkugel aus Aerographit mit einer Schalendicke von 1 mm interstellar werden, wenn sie sich der Sonnenstrahlung im interplanetaren Raum aussetzt. Das Material wird nur noch von dem 12 % leichteren Aerographen (Graphen-Aerogel) mit 0,16 mg/cm³ Dichte unterboten.

Die Autoren nennen noch weitere Beispiele: Nach dem Start bei 1 AE von der Sonne erreicht eine Aerographit-Hülle mit 0,5 mm Dicke die Umlaufbahn des Mars in 60 Tagen und die des Pluto in 4,3 Jahren. Die Freisetzung einer Aerographit-Hohlkugel, deren Hülle 1 µm dick ist, führt zu einer Fluchtgeschwindigkeit von fast 6.900 km/s und damit zu einer Reisezeit von 185 Jahren bis zum nächsten Stern, Proxima Centauri. Eine Aerographit-Hohlkugel mit 100 µm und einem Radius von 1 m wiegt 230 mg, bei einem Radius von 5 m sind es 5,7 g.

Die Nutzlastmarge beträgt dabei das Zehnfache der Masse des Raumfahrzeugs, während die Nutzlast chemischer interstellarer Raketen in der Regel ein Tausendstel des Gewichts der Rakete beträgt. Die Wissenschaftler schätzen die Kosten für die Entwicklung eines Prototyps auf 1 Mio. $, einen Preis von 1.000 $ pro Segel und einen Gesamtbetrag von < 10 Mio. $ einschließlich Start für ein Huckepack-Konzept mit einer interplanetaren Mission.

Heller zufolge könnte das Starship eine kostengünstige Möglichkeit bieten, die Technologie zu testen, indem es ein mit Spezialantrieb ausgestattetes Raumschiff auf den Weg zum Mars schickt, das mit Hilfe eines Lasers an Bord dann ein dünnes Segel beschießt, das dadurch unglaubliche Geschwindigkeiten erreicht: „Wenn SpaceX so freundlich wäre, eines unserer Segel an Bord zu nehmen und es auf halbem Weg zum Mars freizulassen, könnten wir seine Beschleunigung und seinen Weg durch das Sonnensystem für einige Tage und fast bis zur Umlaufbahn des Jupiters verfolgen.“

Im September 2020 erscheint das von Louis de Goüyon Matignon, Alain Perret und Jean-Yves Prado verfaßte Buch La voile solaire, le futur de l’exploration spatiale, das auf 162 Seiten einen Überblick über die Geschichte, die wichtigsten Erfolge und die Zukunftsaussichten des Solarsegels bietet.

In der französischen Raumfahrtszene genießt das Buch ein hohes Vertrauen, zumal es zwei prominente Vorworte enthält: eines von dem bereits erwähnten NASA-Wissenschaftler und Science-Fiction-Autor Geoffrey A. Landis, und eines von dem französischen ESA/CNES-Astronauten Patrick Baudry.

Matignon selbst, in dessen Eigenverlag LGM Éditions das Buch veröffentlicht wird, ist Autor einer Dissertation über Weltraumrecht und Unternehmer in der Raumfahrtindustrie, während Perret und Prado ehemalige Ingenieure des französischen Centre national d’études spatiales (CNES) sind, die sich über die o.e. U3P für die Förderung von Solarsegeln einsetzen. Hinweise auf Übersetzungen in andere Sprachen gibt es bislang nicht.

Im Dezember 2020 sieht der spanische Amateurastronom Alberto Caballero voraus, daß eine Kombination von Technologien der nahen Zukunft ein bemanntes Raumschiff mit etwa 22 % der Lichtgeschwindigkeit in nur 19 Jahren zum Alpha-Centauri-System befördern könnte, wo sich der nächste potentiell bewohnbare Exoplanet befindet.

In seiner Arbeit ,Solar One: A Proposal for The First Crewed Interstellar Spacecraft’, die im Netz einsehbar ist, stellt Caballero das Konzept und den Entwurf eines Solar One genannten, 1,6 km langen Raumfahrzeugs mit einer Bussard-Schaufel vor, die einen umgekehrten elektromagnetischen Antrieb erzeugt.

Das neuartige Raumschiff würde eine kilometergroße Version des Sunjammer-Lichtsegels der NASA, den kompakten Fusionsreaktor der US-Marine, der sich noch in Entwicklung befindet, sowie mehrere der o.e. DE-STAR-Hochenergie-Lasersysteme integrieren, über die auch ausführlich bei den Solarsatelliten berichtet wird. Die Laser würden nach vorne scannen, um Hindernisse aufzulösen, nach hinten, um den Antrieb zu verstärken, und schließlich wieder nach vorne, um das Raumschiff zu verlangsamen, wenn es sich dem Ziel nähert.

Als Alternative zum Laserantrieb wird ein System von Linsen oder Spiegeln vorgeschlagen, um das Segel mit Sonnenlicht anzutreiben. Bislang gibt es jedoch keine Raumfahrtbehörde und kein privates Unternehmen, das Geld in die Entwicklung der Solar One investiert.

Ebenfalls im Dezember 2020 erscheint die Studie ,Using a laser-pushed solar sail to deflect the trajectory of an asteroid’ von Wissenschaftlern der Federal University of Minas Gerais und dem National Institute for Space Research in Belo Horizonte in Brasilien, in der die Möglichkeit untersucht wird, die Flugbahn eines Asteroiden, der auf Kollisionskurs mit der Erde ist, mit Hilfe eines lasergestützten Sonnensegels abzulenken.

In der theoretischen Abhandlung wird ein Sonnensegel-Raumschiff postuliert, das sich zunächst selbst in ein Rendezvous mit dem potentiell kollidierenden Asteroiden manövriert. Anschließend wird eine erfolgreiche Landung betrachtet, um zu analysieren, welche Auswirkungen eine konstante Laseremission von der Erdoberfläche und in Richtung des Sonnensegels auf die Flugbahn des Asteroiden hat.

Anhand verschiedener Szenarien werden dann die Beziehungen zwischen den unterschiedlichen Massen der Asteroiden, der reflektierenden Fläche des Sonnensegels und der Sendeleistung des Laserstrahls in Bezug auf die Zeit verglichen, die erforderlich ist, um eine erfolgreiche Ablenkung des Asteroiden zu erreichen und eine Kollision zu vermeiden.

Etwas fragwürdig ist die Behauptung des Astrophysikers Avi Loeb in seinem im Februar 2021 erscheinenden Buch Extraterrestrial: The First Sign of Intelligent Life Beyond Earth, daß der erste interstellare Komet ’Oumuamua (1I/2017 U1), der Ende Oktober 2017 entdeckt worden war, nicht natürlichen Ursprungs, sondern außerirdische Technik sei, vergleichbar einem Sonnensegel. Der Begriff ’Oumuamua ist hawaiianischen Ursprungs und beschreibt einen Boten, der aus der fernen Vergangenheit geschickt wurde, um uns zu kontaktieren.

Loeb zufolge, der seit 2011 den Fachbereich Astronomie der Harvard University leitet, lassen sich die beobachtete Beschleunigung und die ungewöhnliche Form von Oumuamua am besten dadurch erklären, daß es sich dabei um ein außerirdisches Raumschiff handelt, das nach dem Prinzip eines Sonnensegels durch den interstellaren Raum zu uns gereist kam. Die Frage ist dann natürlich, warum es nicht abgebremst oder uns kontaktiert hat.

Eine ganz andere Einsatzform von Solarsegeln wäre, diese im All so zu positionieren, daß sie wie gigantische Sonnenschirme wirken und die Sonneneinstrahlung reduzieren. Das theoretische Gedankenexperiment auf dem Sektor des Solar Radiation Management (SRM) stammt von Forschern und Studenten der Fachhochschule Wiener Neustadt um Carsten Scharlemann und soll dabei helfen, den Klimawandel zu stoppen. Es erscheint erstmals im Juli 2021 in den Blogs.

In einem ersten Schritt wird der Lagrange-Punkt 1, der in direkter Linie zwischen Sonne und Erde liegt, als der ideale Ort für die Plazierung der Sonnensegel identifiziert. Bei der Entfernung zur Erdoberfläche von rund 1,5 Mio. km müßten die Schattenspender allerdings tausende Quadratkilometer groß sein, um die Sonneneinstrahlung um 2 % zu reduzieren. Außerdem muß noch untersucht werden, ob große Segel mit Kilometern an Seitenlänge vorteilhafter sind oder eher Tausende kleinerer Segel, die im Formationsflug das Sonnenlicht abschirmen.

Diese auf der Erde zu produzieren und anschließend ins All zu transportieren, dürfte eher unrealistisch sein. Stattdessen müßte auf autonome Fertigungsanlagen gesetzt werden, welche die benötigten Konstruktionen mittels 3D-Druck im All herstellen. Fotec, das Forschungsunternehmen der FH, hat bereits einige Erfahrungen damit, da es gemeinsam mit der ESA erfolgreich Strukturen aus simulierter Mars-Erde gedruckt hat. Die Stromversorgung würde erfolgen, indem die Sonnensegel mit PV-Zellen bestückt werden. Gleichzeitig müßten die benötigten Rohstoffe entweder auf dem Mond oder auf Asteroiden abgebaut werden.

An den theoretischen Vorarbeiten beteiligt ist das Kompetenznetzwerk Geoengineering, das aus acht Forschungseinrichtungen in fünf europäischen Ländern besteht und maßgeblich von dem deutschen Technologie- und Raumfahrtunternehmen OHB System AG initiiert wurde. An einer dieser Einrichtungen, dem Alfred-Wegener-Institut in Bremen, wird derweil daran geforscht, die Abschattung zunächst nur punktuell über wichtigsten Stellen einzusetzen, wie etwa der Antarktis und der Arktis, um den Verlust der Eisschilde zu verhindern. Dieser gezielte Schutz wäre billiger und weniger aufwendig als die ganze Erde abzuschirmen.

Kritiker weisen allerdings darauf hin, daß die Entwicklung und Umsetzung derartig großer Schattenspender im All wohl so lange dauern würde, daß es für die Klimawandelbekämpfung zu spät käme. Scharlemann gründet zusammen mit Christof Obertscheider und Wolfgang Treberspurg außerdem im Jahr 2021 die Firma R-Space, die im Herbst 2026 ihren ersten kommerziellen Satelliten ins All bringen will. Mit dem Solarschirm-Projekt scheint sich das Unternehmen bislang aber nicht zu befassen.

Eine ähnliche Idee wird von dem Astronomen István Szapudi an der University of Hawaii at Manoa (UH) verfolgt, der sich eine Methode ausgedacht hat, um die Sonnenstrahlung um 0,4 - 1,7 % zu reduzieren.

Im Gegensatz zu den Konzepten anderer Forscher will Szapudi das Sonnensegel an einen Asteroiden hängen. Dieser Asteroid, der am Lagrange-Punkt 1 positioniert werden soll und laut astronomischer Berechnungen 3,5 Millionen Tonnen wiegen müßte, dient dann als Gegengewicht für ein gigantisches Sonnensegel, das 35.000 Tonnen schwer ist.

Der entsprechende Artikel von Szapudi erscheint im Juli 2023 unter dem Titel ,Solar radiation management with a tethered sun shield’ und ist im Netz einsehbar. Eine weitere Arbeit trägt den Titel ,Sun ’umbrella’ tethered to asteroid might help mitigate climate change’.

Im Übrigen hatten Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) um den Architekten Carlo Ratti schon im Juni 2022 eine alternative Methode vorgestellt, um den Planeten abzukühlen. Sie wollen die Sonneneinstrahlung mittels Space Bubbles reduzieren, transparente Blasen, die im Weltraum zwischen der Sonne und der Erde positioniert werden und die Strahlung zerstreuen.

Das Forschungsprojekt baut auf zwei Ideen auf, die des Wissenschaftlers James T. Early auf, der in seiner im Dezember 1989 erscheinenden Arbeit ,Space-based solar shield to offset greenhouse effect’ als erster vorschlug, einen weltraumgestützten Sonnenschild am Lagrange-Punkt Sonne-Erde L1 zu plazieren, um etwa 1 - 2 % des Sonnenlichts abzulenken und den globalen Treibhauseffekt zu verringern - sowie die des Astronomen Roger P. Angel, der in seiner Publikation ,Feasibility of cooling the Earth with a cloud of small spacecraft near the inner Lagrange point (L1)’ vom November 2006 den Einsatz dünner reflektierender Folien im Weltraum beschrieb.

Die Berechnungen des MIT zeigen, daß ein gigantischer Verbund aus Space Bubbles am Lagrange-Punkt 1 die Sonneneinstrahlung um 1,8 % reduzieren könnte, jedoch wäre hierzu ein Feld aus Weltraum-Blasen nötig, das etwa so groß ist wie die Landfläche von Brasilien.

Um ein solches Cluster produzieren zu können, müßten die Blasen ultradünn sein, weshalb das Team vorschlägt, diese aus Silizium direkt im Weltraum aufzublasen und dann am Zielpunkt zu einem Cluster zu verbinden. Alternativ werden graphenverstärkte Materialien in Betracht gezogen. Problematisch ist daran nur, daß Mikrometeoriten regelmäßig einzelne Blasen zerstören würden. Die Forscher wollen daher zunächst die effektive Ersatzrate ermitteln, um sicherzustellen, daß das Schild seine Größe behält.

Das Projekt befindet sich in einer frühen Laborphase und konzentriert sich gegenwärtig auf mathematische Modelle und Computersimulationen. Darüber hinaus untersucht das MIT-Team in einer kontrollierten Laborumgebung mit einem extremem Vakuum von 0,0028 atm und Temperaturen um -50°C, ob sich die hauchdünnen Membrankugeln aus geschmolzenem Silizium und graphenverstärkten ionischen Flüssigkeiten überhaupt aufblasen lassen. Tatsächlich sind sie damit erfolgreich. Umsetzungsschritte im Weltall wurden bisher aber noch nicht unternommen.

Ein weiterer Bereich, in welchem Solarsegel wichtig werden könnten, ist die Beseitigung von Weltraummüll, die schon weiter oben angesprochen wurde, beispielsweise beim CubeSail der University of Surrey oder dem russischen CubeSat Majak.

So wird im September 2021 ein Schleppsegel namens Spinnaker 3 (S3) an Bord einer Firefly Alpha-Rakete ins All geschossen, um seine Funktionsweise unter realen Bedingungen zu testen. Das von Ingenieuren der Purdue University um Prof. David Spencer und Ariel Black entwickelte Bremssegel (Dragsail) zur Beseitigung von Weltraumschrott ist groß genug, um einen ausgedienten Raketenbooster aus einer Umlaufbahn in 640 km Höhe zu ziehen, damit er schnell und sicher in der Erdatmosphäre verglüht.

Solche Brems- oder Schleppsegel sind ein passiver, ausfallsicherer Ansatz zur Einhaltung der Deorbit-Richtlinien der Federal Communications Commission (FCC), die sicherstellen, daß Raumfahrzeuge und Raketen innerhalb von 25 Jahren nach Beendigung ihrer Mission den Orbit verlassen. Geregelt ist die Entsorgung von Altlasten in einer Art Gentlemen’s Agreement der nationalen Raumfahrtbehörden im Inter-Agency Space Debris Coordination Committee (IADC), wobei die FCC als nationale US-Regulierungsbehörde agiert und das IADC ein internationales Koordinationsgremium ist.

Bei Umlaufhöhen unter 500 km reicht der atmosphärische Widerstand im Allgemeinen aus, um die 25-Jahres-Richtlinie einzuhalten. Fahrzeuge, die aus höheren Umlaufbahnen absteigen, müssen hingegen einen Antrieb verwenden, um die Höhe so weit abzusenken, daß der atmosphärische Widerstand ausreicht.

Das Bremssegel-Konzept ist einfach: Die Oberfläche des Fahrzeugs, das aus dem Orbit geholt werden soll, wird vergrößert, so daß die Wechselwirkung mit den Atmosphärenmolekülen zu einem höheren Luftwiderstand führt und die Zeit bis zum Verlassen der Umlaufbahn verkürzt. Der beste Bereich für Luftwiderstandssegel in der erdnahen Umlaufbahn ist der Höhenbereich von 600 - 800 km, in welchem Raumfahrzeuge ohne Hilfe Jahrzehnte brauchen würden, um die Umlaufbahn zu verlassen, aber genügend Atmosphäre vorhanden ist, um den Austritt mit einem Luftwiderstandssegel zu beschleunigen.

Der atmosphärische Luftwiderstand sorgt für eine konstante Kraft, so daß die Umlaufbahn des Raumfahrzeugs langsam abnimmt und es sich spiralförmig nach unten bewegt, bis es eine atmosphärische Dichte erreicht, die dazu führt, daß es auseinanderbricht und verglüht, normalerweise in einer Höhe von etwa 80 km. Das Luftwiderstandssegel selbst besteht aus einer Dünnschichtmembran, die durch eine Reihe von leichten, ausfahrbaren Auslegern in Form gehalten wird. Das Schleppsegel kann auf Kommando oder über einen Backup-Timer ausgefahren werden und bietet eine zuverlässige Deorbit-Fähigkeit, selbst wenn das Wirtsfahrzeug nicht funktioniert.

Spencer, der zuvor u.a. als Missionsdesigner bei der NASA tätig war, hatte bereits 2019 das Start-Up Vestigo Aerospace Inc. gegründet, das sich die Widerstandssegeltechnologie von der Purdue Research Foundation lizenzieren läßt und eine kommerzielle Produktlinie von Schleppsegeln entwickelt, die für das Deorbiting von Wirtsfahrzeugen mit einer Masse von 1.000 kg oder weniger und aus einer Umlaufhöhe von 1.000 km oder weniger bestimmt sind. Die Vermarktung von zwei neuen Prototypen soll noch in diesem Jahr beginnen.

Im September 2023 startet Vestigo Aerospace ein zweijähriges Projekt, das von der NASA gefördert wird und im März 2025 im Rahmen der Mission Sphinx im erfolgreichen Start eines Spinnaker 3 in den niedrigen Erdorbit gipfelt. Das Unternehmen plant, das Schleppsegel in der zweiten Aprilhälfte auf seine Fläche von 18,8 m² zu entfalten, wobei der Deorbit nur 16 Tage später erwartet wird.

In Phase II sind weitere Demonstrationsflüge mit den Modellen Spinnaker 2 und 3 in Höhen zwischen 400 und 550 km geplant, um die Technologie zur Marktreife zu führen.

Das Schleppsegel Spinnaker 2 wird von einem Corvus-Micro-Satellitenbus von Astro Digital getragen, während das Spinnaker 3 als unverlierbare Nutzlast direkt in das Spaceflight Sherpa Orbital Transfer Vehicle integriert wird, mit dem der niedrige Erdorbit erreicht wird.

Im Frühjahr 2026 wird Vestigo Aerospace von dem US-Rüstungs- und Raumfahrtunternehmen Applied Aerospace & Defense Inc. übernommen.

In diesem Zusammenhang sollen auch noch andere, aktuelle Akteure und Projekte aufgeführt werden, die sich mit der Entfernung von Weltraumschrott beschäftigen, wenn auch zum Teil mit anderen Technologien, die in der vorliegenden Übersicht aber nicht fehlen sollten.

Dazu gehört der Forschungssatellit RemoveDEBRIS, der verschiedene Technologien im All erproben soll, um Weltraummüll zu beseitigen. An dem internationalen, von der Europäischen Kommission kofinanzierten Forschungsprojekt unter der Leitung von Prof. Guglielmo S. Aglietti an der University of Surrey, das mit 13 Mio. £ ausgestattet ist, sind neun Partner beteiligt. Die experimentelle Satellitenplattform wird im April 2018 mit der SpaceX-Mission CRS-14 zur ISS gebracht und im Juni in einem Orbit ausgesetzt.

Zu den Fangmethoden zählt ein Auswurfsnetz, das im September erfolgreich getestet wird. Dabei  setzt RemoveDEBRIS einen Subsatelliten mit der Bezeichnung DebrisSAT-1 (DS-1) aus, dessen Stirnfläche mit einem Ballon stark vergrößert wird. Dadurch wirkt sich die Bremswirkung der Restatmosphäre stärker aus, der Subsatellit entfernt sich vom RemoveDEBRIS und wird von diesem mit einem Netz wieder eingefangen, das sich in dem weißen Zylinder in der Mitte des Satelliten befindet.

Nachdem im Oktober ein weiterer Subsatellit, DebrisSAT-2 (DS-2), für ein zweites Experiment verwendet wird, bei dem RemoveDEBRIS eine 2D-Kamera und ein 3D-Lidar-Gerät verwendet, um den DS-2 zu beobachten und seine Position und Geschwindigkeit zu bestimmen, wird im Februar 2019 ein drittes Experiment durchgeführt. Dabei wird eine von Airbus entwickelte Harpune aus Titan mit einer Geschwindigkeit von 20 m/s (72 km/h) auf ein Ziel abgeschossen, das sich am Ende eines Auslegers mit 1,5 m Länge befindet.

Nachdem die Harpune die Struktur des Ziels mühelos durchbohrt, klappen kleine Widerhaken um, damit sich das Projektil nicht wieder lösen kann und der Schrott über ein reißfestes Verbindungsseil fest mit dem Hauptsatelliten verbunden bleibt. Letztlich kann ein ,Müllabfuhr-Satellit’ das eingefangene Objekt so hinter sich herziehen und ein Bremsmanöver einleiten, um tief genug in die Erdatmosphäre einzutauchen und zu verglühen.

Das letzte Experiment erfolgt im März, um mit Hilfe eines ultraleichten, ausfaltbaren Segels aus Kohlefaserstreben und einer hauchdünnen Membran den Wiedereintritt zu beschleunigen und sicherzustellen, daß der 100 kg schwere und etwa 1 m³ große Kubus bereits nach acht Wochen verglüht. Ohne dieses Segel würde RemoveDEBRIS nach Ende der Experimente noch über 2,5 Jahre im Orbit bleiben.

Tatsächlich befindet sich der Satellit aber Mitte 2019 immer noch in einer Umlaufbahn in 398 – 403 km Höhe und tritt erst Anfang Dezember 2021 passiv in die Erdatmosphäre ein. Ein ausführlicher Bericht vom November 2019 mit dem Titel ,RemoveDEBRIS: An in-orbit demonstration of technologies for the removal of space debris’ ist im Netz einsehbar.

Die University of Surrey hatte bereits Ende 2011 im Rahmen des Projekts DEPLOYTECH (Large Deployable Technologies for Space) ein aufblasbares Widerstandssegel namens InflateSail zum De-Orbitieren von Satelliten entwickelt, neben einem entfaltbaren Solarfeld mit den Abmessungen von 1 x 5 m sowie einem Solarsegelausleger mit einer maximalen Länge von 14 m.

Der ursprüngliche InflateSail-Vorschlag sah ein großes Schleppsegel vor, das auf einem Gasgeneratorsystem und ultradünnen aufblasbaren Auslegern zur strukturellen Unterstützung basiert. Die Quelle des Aufblasgases sind so genannte Cool Gas Generatoren, deren Stickstoff in einem festen Zustand gespeichert wird, bevor er auf Kommando freigesetzt wird und die erforderliche Gasmenge liefert. Auf der Abbildung ist ein Aufblasversuch in einer Konfiguration mit sechs Auslegern zu sehen.

Ebenfalls zu erwähnen ist das 2013 von Nobu Okada gegründete Unternehmen Astroscale Holdings Inc. mit Hauptsitz in Tokio, das einen magnetischen Andockmechanismus demonstriert, der zur Bekämpfung des Weltraummüllproblems entwickelt wurde: Der im März 2021 gestartete Servicesatellit ELSA-d (End-of-Life Services by Astroscale-demonstration) kann im August erfolgreich ein simuliertes Stück Weltraummüll in der Umlaufbahn einfangen.

Im Mai 2022 wird eine komplexe Rendezvous-Operation durchgeführt, und im Januar 2024 schwenkt der Servicesatellit ELSA-d mit Hilfe der verbleibenden Triebwerke sicher und kontrolliert in die Erdatmosphäre ein, was die Mission beendet. Im Februar folgt dann der Start des Raumfahrzeugs ADRAS-J, das von der JAXA für die Phase I des Demonstrationsprojekts CRD2 für die kommerzielle Beseitigung von Trümmern in großem Maßstab ausgewählt wurde.

Die Firma Rocket Lab wiederum, ein seit 2006 bestehender und in Long Beach, Kalifornien, ansässiger Hersteller der Trägerraketen Electron und Neutron sowie der Satellitenplattform Photon, kündigt im August 2021 an, daß er einen Satelliten starten wird, um Technologien zur Beseitigung von Weltraumschrott für die Aurora Propulsion Technologies zu testen.

Aurora ist ein 2018 gegründetes finnisches Unternehmen, das sich der nachhaltigen Nutzung des Weltraums verschrieben hat, wozu auch das sichere und zuverlässige Deorbiting von Satelliten am Ende ihrer Nutzungsdauer gehört. Das langfristige Missionsziel des Unternehmens ist die Erforschung des Weltraums mit Sonden in der Größe von Mikrosatelliten, die ein elektrisches Segel nutzen. Allerdings gibt es darüber noch keine Details.

Im Rahmen einer für das vierte Quartal 2021 geplanten Rideshare-Mission vom Launch Complex 1 auf der neuseeländischen Halbinsel Mahia soll eine Electron den Satelliten AuroraSat-1 in eine niedrige Erdumlaufbahn bringen, um die Antriebsvorrichtungen und Plasmabremsen zu demonstrieren, die für Kleinsatelliten effiziente Antriebs- und Deorbitierungsmöglichkeiten bieten.

Der AuroraSat-1 wird dabei den wasserbasierten Antrieb und die Mobilitätskontrolle seiner Aurora Resistojet Modules (ARM-A) validieren sowie die ausfahrbare Aurora Plasma Brake (APB) testen, eine treibstofffreie Deorbitierungslösung, die einen elektrisch geladenen Mikrotether einsetzt, der mit dem ionosphärischen Plasma interagiert und eine Coulomb-Widerstandskraft erzeugt, die den Satelliten am Ende seiner Lebensdauer sicher aus dem Orbit bringt.

Dies ähnelt den auf atmosphärischem Widerstand basierenden Geräten, aber im Gegensatz zu diesen ist der Mikrotether, der aus Drähten besteht, die dünner sind als ein menschliches Haar, für andere Raumfahrzeuge ungefährlich und der Coulomb-Widerstand ist um Größenordnungen stärker als der atmosphärische Widerstand. Dieser Unterschied in den bremsenden Kräften wird mit zunehmender Höhe der Umlaufbahn noch größer, wodurch das System auf Umlaufbahnen bis zu 1.000 km eingesetzt werden kann.

Tatsächlich erfolgt der Start des von SatRevolution S.A. gebauten Technologiedemonstrators AuroraSat-1, der über ein Plasmabremsen-Zwillingsmodul verfügt, das zu Testzwecken neben der gesamten Steuerelektronik mit zwei unabhängig voneinander ausfahrbaren Spulen mit Mikrotether ausgestattet ist, erst im Mai 2022. Es kann aber keine stabile Funkverbindung hergestellt werden, weshalb die Systeme nicht aktiv getestet und validiert werden können. Der Satellit verbleibt ohne Funktion im niedrigen Erdorbit und verglüht Mitte November 2023 in der Erdatmosphäre. Folge-Missionsplattformen tragen die Namen Strider (2023), Wisdom (2025) und SpeQtral-1 (2026).

Im Mai 2022 wird an Bord einer SpaceX Falcon 9 ein ION-Satellitenträger des privaten Raumfahrtunternehmens D-Orbit in eine niedrige Erdumlaufbahn in 517 km Höhe gebracht, der den Namen SBUDNIC trägt.

Konzipiert im Rahmen des Kurses ,Design of Space Systems’ von Prof. Rick Fleeter an der Brown University in Providence, Rhode Island, im Frühjahr 2021, entwickelt in Zusammenarbeit mit  AMSAT-Italien und der Sapienza University of Rome, und gefördert vom Nationalen Forschungsrat Italiens (CNR) und dem NASA Rhode Island Space Grant, haben die Ingenieurstudenten der Brown University einen Satelliten gebaut, der Weltraummüll reduziert.

Unter Verwendung eines 3D-gedruckten Widerstandssegels aus Kapton-Polyimid-Folie, das sich wie ein Regenschirm entfaltet und den Luftwiderstand erhöht, um den Orbitalabfall zu beschleunigen, sowie handelsüblicher Teile wie einem Arduino-basierten Mikroprozessor und 48 Energizer AA-Lithiumbatterien, kann der Low-Budget-Satellit für unter 7.500 $ hergestellt werden.

Nach 445 Tagen in der Erdumlaufbahn wird im August 2023 der erfolgreiche Wiedereintritt in die Erdatmosphäre und das Verglühen gemeldet - etwa fünf Jahre vor der üblichen Zeitspanne für den Eintritt in die Erdumlaufbahn -, was die Wirksamkeit des Schleppsegels beweist.

Im Juni 2022 startet vom Satellitenstartzentrum Xichang im Südwesten Chinas eine Langer-Marsch-2D-Rakete und bringt drei Satelliten der Yaogan-35-Serie in die Umlaufbahn. Als zuvor nicht bekannt gegebene Zusatzmission entfaltet die Shanghai Academy of Spaceflight Technology (SAST), der Hersteller der Rakete, einen Tag später ein 25 m² großes Deorbitierungssegel.

Sofern alles nach Plan verläuft, wird das Bremssegel dazu beitragen, ein 300 kg schweres Objekt, das derzeit in einer durchschnittlichen Höhe von etwa 490 km die Erde umkreist, innerhalb von zwei Jahren aus der Umlaufbahn zu bringen.

Wie im Januar 2023 berichtet wird, plant die Europäische Weltraumagentur (ESA) gemeinsam mit dem Schweizer Start-Up Clearspace einen Roboter in die Erdumlaufbahn zu schicken, der mit seinen Greifarmen Trümmerteile und defekte Satelliten entfernen soll. Die ESA investiert mehr als 100 Mio. € in die Mission, an der auch Privatinvestoren beteiligt sind. Clearspace-1 soll 2025 zur ersten Aufräumaktion ins All starten.

Da außerdem Beobachtungstechnologien wichtig sind, um die Objekte genau zu lokalisieren, arbeitet die ESA mit dem hessischen Start-Up Vyoma zusammen, das mit eigenen Satelliten Echtzeitdaten sammeln und Weltraummüll überwachen will. Der erste von zwei Vyoma-Satelliten soll 2024 starten.

Ebenso  hofft die ESA, daß das von der im Jahr 2000 gegründeten Münchner Firma High Performance Space Structure Systems GmbH (HPS) gemeinsam mit DLR-Instituten entwickelte Drag Augmentation Deorbiting System (ADEO) dazu beitragen wird, Satelliten am Ende ihrer Mission aus der Umlaufbahn zu bringen.

ADEO ist ein 3,5 m² großes Bremssegel, das aus einer aluminiumbeschichteten Polyamidmembran besteht, die an vier X-förmig angeordneten, kohlefaserverstärkten Armen befestigt ist. Das Segel kann je nach Größe des Satelliten, an dem es befestigt ist, nach oben oder unten skaliert werden, wobei die größte Version eine Fläche von 100 m² erreichen könnte.

Nachdem die Tests im Jahr 2018 begonnen hatten, wird ADEO im Dezember 2022 in einem weltraumgestützten Test mit der Bezeichnung ,Show Me Your Wings’ von einem ION-Satellitenträger von D-Orbit aus eingesetzt. ADEO stößt den Satellitenträger erfolgreich aus seiner Umlaufbahn und schickt ihn zum Verglühen in die Atmosphäre.

Dem Stand von 2026 zufolge bietet die HPS fünf verschiedene Versionen der Deorbit-Schleppsegel-Module mit Größen zwischen 1,7 m² und 25 m² an. Eines der größten Segel wird beispielsweise von Redwire Belgium für ein Satellitenprojekt eingesetzt, das speziell für die Europäische Kommission entwickelt wurde. Der Einsatz des Schleppsegels für ein schnelles und effizientes Deorbiting am Ende der Mission ist für etwa anderthalb Jahre nach dem Start geplant.

Die bislang jüngste Meldung in dieser Reihe stammt vom März 2025 und besagt, daß ein Konsortium europäischer Unternehmen, angeführt von dem zwei Jahre alte portugiesische Start-Up Spaceo, von der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) einen Vertrag über 3 Mio. € erhalten hat, um bis 2028 ein aufblasbares Schleppsegel im Weltraum zu testen, das nach Abschluß der Mission den Wirtssatelliten schnell aus dem Orbit befördern soll.

Das System soll auf einem 12U-Würfelsatelliten mit den Abmessungen 20 x 20 x 30 cm und einer Masse von 20 kg installiert werden, kann aber auch für größere Satelliten mit einem Gewicht von bis zu 200 kg ausgelegt werden.

Im Rahmen des Projekts Spacecraft With Inflatable Termination (SWIFT) wird der französische Anbieter von gehosteten Nutzlasten SpaceLocker die Integration des Schleppsegels auf dem Wirtssatelliten leiten, der von dem dänischen Spezialisten GomSpace bereitgestellt wird, während das niederländische Unternehmen SolidFlow für die Entwicklung des Gasgenerators verantwortlich ist, der für das Aufblasen des Segels benötigt wird.

Das System hat zunächst eine Größe von 20 cm², wird sich dann aber etwa 7.500 Mal auf 1,5 m² aufblähen und so den Luftwiderstand erhöhen, um die Höhe des Satelliten in weniger als einem Jahr von 500 auf 400 km reduzieren. Der vollständige Deorbit soll dann innerhalb von 14 - 16 Monaten erfolgen. Ohne SWIFT würde es etwa zehn Jahre dauern, bis der Satellit auf natürliche Weise in der Atmosphäre verglüht.

Neue Akteure scheint es den Folgejahren nicht zu geben, doch immerhin nimmt sich 2025 der Produktdesigner John Lightbody aus Ohio des Themas an und zeigt in ansprechenden Renderings das erste Solar-Segelschiff des Sonnensystems, das für den Einsatz in einer zivilen, nachhaltigen Raumfahrt vorgesehen ist, wenn Menschen monatelang zwischen den Sternen leben.

Der futuristische Entwurf namens Diana-I Solar Sailer (o. Diana Modell I) verwendet als Antriebssystem ein großes Solarsegel, das wie die Takelage eines Schiffes getrimmt und eingestellt werden kann, so daß die Piloten ihre kosmische Reise intuitiv steuern können. Damit hat das Raumfahrzeug mit einer Kapazität für ein bis zwei Personen, das für eine Vision der Raumfahrt steht, die der menschlichen Erfahrung Vorrang vor der reinen Funktionalität einräumt, eine theoretisch ,unendliche Sonnenreichweite’.

Und während die meisten Raumschiffe die Passagiere immer noch wie Fracht behandeln und in zweckmäßige Kapseln zwängen, konzipiert Lightbody die Diana-I wie ein Wohnmobil für den Weltraum, komplett mit Bett, Küche, Dusche und sogar einem richtigen Eßtisch. Das Cockpit ist vom Zen-Buddhismus inspiriert, mit meditativen Seiza-Sitzen und klaren, übersichtlichen Bedienelementen, statt mit Knöpfen übersätem sterilem weißen Kunststoff, während die Kombüse im Stil der nordischen Spa-Kultur einen warmen, einladenden Raum für Mahlzeiten und Entspannung schafft.

Die Materialien sind natürlich und erneuerbar, was mit warmen Hölzern und weichen Texturen widergespiegelt wird, und die Panoramaglaskuppel hilft dabei, die geistige Gesundheit während einer längeren Isolation aufrechtzuerhalten. Oder wie Lightbody es ausdrückt: „Stellen Sie sich vor, wie Sie an den Monden des Jupiters vorbeiziehen, während Sie in Ihrer gemütlichen Kombüse einen Kaffee trinken und das Universum außerhalb Ihrer transparenten Wände beobachten.“

Irgendwelche technischen Details liefert der Designer nicht, und das Maßverhältnis zwischen dem Raum-Camper und dem Segel auf den Renderings entspricht auch nicht dem, was die vorstehenden Entwicklungen und Projekte mit ihren großen Flächen implizieren - doch immerhin wird eine universelle Andockstation am Heck erwähnt, die Kompatibilität mit Raumstationen und anderen Raumfahrzeugen gewährleistet, so daß Diana-I sowohl für Arbeitseinsätze als auch für Freizeitreisen geeignet ist.

 

Neben den Sonnensegeln gibt es aber noch diverse weitere alternative Antriebsmethoden, die sich im Weltraum einsetzen lassen - ohne auf chemischen oder nuklearen Techniken zu basieren.

 

Weiter mit den alternativen Antrieben in der Raumfahrt...