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Nachthimmel: Hell, heller, Starlink

Die Satellitenschwärme, die im Erdorbit kreisen, werden zahlreicher und leuchten zunehmend heller als Sterne. Astronomen fürchten um ihre Wissenschaft, sollte dem kein Einhalt geboten werden.
Die Starlink-Satelliten am Nachthimmel über Griechenland
Da sich die erdnahe Umlaufbahn zunehmend mit Satellitenkonstellationen für Telekommunikation füllt, müssen Astronominnen und Astronomen prüfen, wie sie ihre Arbeit weiter machen können, wenn blinkende Solarpaneele die echten kosmischen Objekte überstrahlen.

Rachel Street erinnert sich noch gut daran, welche Angst sie kürzlich nach einer Planungssitzung für das Vera C. Rubin Observatorium überkam. Das neue Vorzeigeteleskop, das derzeit in Chile gebaut wird, soll künftig alle drei Nächte den gesamten Himmel mit einer Leistung fotografieren, die ausreicht, um einen Golfball in der Entfernung des Mondes zu erkennen. Das Hauptprojekt des Großteleskops, der »Legacy Survey of Space and Time« (LSST), wird die Galaxie kartieren, Objekte im Sonnensystem inventarisieren und mysteriöse Blitze, Knalle und Ausschläge im gesamten Universum erforschen. Doch es wird seine Ziele möglicherweise nie erreichen, wenn sich der Himmel weiter mit falschen Sternen füllt. Neue Satellitenschwärme, wie SpaceX’ Starlink, drohen jene echten Himmelsobjekte in den Schatten zu stellen, die das Interesse der Astronomen wecken – und die die Menschen seit jeher bewundern und erforschen.

»Je mehr Konferenzen ich besuche, in denen wir die Auswirkungen der Satelliten erklären, desto mehr Angst habe ich davor, wie es mit der Astronomie weitergeht«, sagt Street, Astronomin am Las Cumbres Observatory. Als eine der ebenfalls bei der Sitzung anwesenden Wissenschaftlerinnen darüber sprach, bestimmte Beobachtungen im Zeitplan vorzuverlegen, hatte Street eine düstere Vorahnung: Möglicherweise könnte es für einige geplante Himmelsuntersuchungen bald zu spät sein. »Das hat mir einen Schauer über den Rücken gejagt«, erinnert sie sich.

Da sich die erdnahe Umlaufbahn zunehmend mit Satellitenkonstellationen für Telekommunikation füllt, müssen Astronomen prüfen, wie sie ihre Arbeit weiter machen sollen, wenn blinkende Solarpaneele und Radiosignale die echten kosmischen Objekte überstrahlen. Jüngste Berichte vom Planungsstab des Rubin-Observatoriums und vom US-amerikanischen Rechnungshof, dem Government Accountability Office (GAO) zeichnen ein düsteres Bild, nach dem die Astronomie – eine der ersten Wissenschaften – direkt bedroht erscheint. Es wird befürchtet, dass die Satellitenkonstellationen, wenn sie unkontrolliert zunehmen, nicht nur die Zukunft des Rubin-Observatoriums (sowohl sein allgemeines Potenzial für Entdeckungen als auch seine physikalischen Komponenten) gefährden, sondern fast jedes Projekt zur Beobachtung des Universums im sichtbaren Lichtspektrum.

»Je nachdem, wie viele Satelliten in den kommenden Jahren in Betrieb genommen werden und wie hell sie sind, sieht es sehr schlimm bis katastrophal aus«, sagt Jonathan McDowell, ein Astronom am Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, der zu Satelliten forscht. »Ein paar tausend Satelliten sind ein Ärgernis, aber hunderttausende sind eine existenzielle Bedrohung für die bodengebundene Astronomie«.

Die Projektleiter der Teleskope sind gezwungen, ihre Planungen anzupassen, um den neuen Satellitenschwärmen aus dem Weg zu gehen. Diese ohnehin schon schwierige Aufgabe wird jedoch in den nächsten Jahren unmöglich werden, da die Zahl der Raumfahrtobjekte in der erdnahen Umlaufbahn dramatisch ansteigen wird. Einige Astronomen versuchen bereits, Software zu entwickeln, die helle Satellitenstreifen aus ihren Bildern herausrechnen kann. Doch auch das wird vergeblich sein, wenn die neuesten Satelliten es in die Umlaufbahn schaffen; sie sind so hell, dass sie die grundlegende Elektronik der Teleskopkameras gefährden. Wissenschaftler, die so unterschiedliche Phänomene wie kollidierende Schwarze Löcher und erdnahe Asteroiden erforschen, sorgen sich, dass ihnen spannende Entdeckungen – aber auch kosmische Bedrohungen entgehen. Die Wortwahl wird zunehmend drastischer: Für das Läuten der Alarmglocken sei es »wahrscheinlich höchste Zeit. Ich würde sogar sagen, fast zu spät«, sagt Anthony Tyson, Astronom an der University of California und leitender Wissenschaftler des Rubin-Observatoriums.

Rund 5400 Satelliten umkreisen aktuell die Erde

Seit dem Start von Sputnik 1 im Oktober 1957 wird die Erde von künstlichen Satelliten umschwärmt. Etwa 5400 von ihnen umkreisen derzeit die Erde, wobei mehr als die Hälfte davon im Besitz von US-Firmen oder -Behörden ist, wie aus einer von der »Union of Concerned Scientists« (Vereinigung besorgter Wissenschaftler) geführten Datenbank hervorgeht. Die Datenbank wurde zuletzt im Januar 2022 aktualisiert. Seitdem sind viele weitere Starlink-Satelliten hinzugekommen, so dass die echten Zahlen sogar höher liegen. Die meisten Satelliten befinden sich in einer erdnahen Umlaufbahn, das heißt in einem Bereich, der sich weniger als 2000 Kilometern über dem Boden befindet und in dem Satelliten – einschließlich der Internationalen Raumstation – etwa alle anderthalb Stunden eine volle Umlaufbahn zurücklegen.

Im Mai 2019 begann SpaceX damit, diese Umlaufbahn mit Hunderten seiner Starlink-Satelliten zu besetzen, die für die Übertragung von Internet- und Mobilfunkdiensten rund um den Globus konzipiert sind. Im Oktober waren laut einer von Jonathan MacDowell privat geführten Statistik etwa 3450 der insgesamt die Erde umkreisenden Satelliten – und damit mehr als die Hälfte – Starlink-Satelliten. Sie starten in Gruppen und umkreisen die Erde in so genannten Konstellationen, das heißt, sie sind so angeordnet, dass sie zusammenarbeiten können. Sowohl die Anzahl als auch ihre Helligkeit stellen für die Astronomie ein Problem dar. Kurz nach dem Start sind sie am besten zu sehen. Dann kann man beobachten, wie sie als schillernder Zug über den Dämmerungshimmel flimmern. In digitalen Teleskopkameras erscheinen sie als helle Lichtstreifen, die Sterne und astronomische Objekte verdecken und das gesamte Sichtfeld überbelichten. »Es ist so, als würde man die Straße entlangfahren und durch die Windschutzscheibe auf ein entgegenkommendes Auto blicken, dessen Fernlicht eingeschaltet ist«, sagt Tyson. »Man verliert eine Menge Informationen – nicht nur innerhalb des Lichtkegels der Scheinwerfer, sondern überall, und auch die Augen selbst werden geblendet.«

Das 473 Millionen Dollar teure Rubin-Observatorium ist von den bodengebundenen Astronomieprojekten besonders gefährdet. Das Teleskop soll 2024 in Betrieb genommen werden, und bis dahin könnten Zehntausende von kleinen bis mittelgroßen Satelliten, darunter noch weitere Starlinkschwärme, die Erde umkreisen. Der geplante »Legacy Survey of Space and Time« des Observatoriums wird ein 8,4-Meter-Teleskop in Kombination mit einer 3,2-Gigapixel-Digitalkamera, der größten jemals gebauten Kamera, verwenden, und ein Jahrzehnt lang jede Nacht 1000 Bilder des Himmels aufnehmen. Jedes Bild wird 9,6 Quadratgrad des Himmels abdecken, was etwa der 40-fachen Fläche des Vollmondes entspricht. Das Teleskop soll neue und potenziell bedrohliche erdnahe Objekte sowie vorübergehende Ereignisse wie Supernovae aufspüren – und sogar Dinge, an die bisher noch niemand gedacht hat, wie Tyson sagt. Aber diese Beobachtungen könnten »erheblich beeinträchtigt werden und zwar durch das alarmierende Tempo« neuer Satelliteneinsätze, heißt es in einer Analyse, die hauptsächlich von Tyson verfasst und im September vom Team des Rubin-Observatoriums veröffentlicht wurde.

In einem weiteren Bericht, der vom US-amerikanischen GAO erstellt und am 29. September an den Kongress geschickt wurde, wird festgestellt, dass die Satellitenkonstellationen der Astronomie schaden und sie der Umwelt schaden könnten, wenn sie auf die Erde zurückfallen. »Da immer mehr Satelliten in die Erdumlaufbahn gebracht werden, könnten fast alle Spielarten der optischen Astronomie negativ beeinflusst werden«, schreiben die Experten des GAO. Sie fordern weitere Studien, um die Auswirkungen der Satellitenkonstellationen auf die astronomische Forschung in vollem Umfang zu bewerten, sowie neue politische Maßnahmen, die schließlich zu Vorschriften und Normen führen sollen. Viele Astronomen befürchten jedoch, dass solche Vorschriften nicht früh genug kommen oder nicht streng genug sein werden, um die bodengebundene Astronomie zu retten.

Weitere 431 713 Satelliten sollen in den kommenden Jahren starten

Der wichtigste und bekannteste Anbieter dieser Satellitenschwärme ist SpaceX. Als bislang einziges Unternehmen arbeitet es bereits mit Astronomen zusammen, um seine Starlink-Satelliten dunkler zu gestalten. Das Unternehmen hat bereits »DarkSat«, einen lichtabsorbierenden, dunkleren Satelliten, sowie Antireflexionsbeschichtungen für Sonnenkollektoren auf den Weg gebracht. SpaceX reagierte auf eine Bitte um Stellungnahme bisher nicht. Nimmt man die Starlink-Satellitenschwärme und solche anderer Unternehmen wie die des britischen Satellitenbetreibers OneWeb und des chinesischen Unternehmens Galaxy Space zusammen, befinden sich derzeit mehr als 4000 Satelliten in der Umlaufbahn, die für eine Netzabdeckung konzipiert sind. Laut den bei der amerikanischen Kommunikationsbehörde FCC und der Internationalen Fernmeldeunion (den beiden führenden Telekommunikationsbehörden der Welt) eingereichten Anfragen zur Genehmigung sollen in den kommenden Jahren weitere insgesamt 431 713 Satelliten in 16 Konstellationen gestartet werden.

Die Satellitenunternehmen weisen darauf hin, dass laut einem 2021 erschienenen ITU-Bericht etwa 2,9 Milliarden Menschen –also fast ein Drittel der Weltbevölkerung – noch nie das Internet genutzt haben. Eine Konstellation von Kommunikationssatelliten könnte das ändern. Aber allein das Licht der Starlink-Konstellation wird mindestens 30 Prozent der vom Rubin-Observatorium aufgenommenen Bilder mit Streifen versehen. Wenn es 400 000 Satelliten in die Umlaufbahn schaffen, wird jedes Bild, das am frühen Abend aufgenommen wird, einen Streifen aufweisen. Die britische OneWeb-Konstellation wird in einer höheren Umlaufbahn als andere Konstellationen kreisen, sodass sie die ganze Nacht über sichtbar sein wird. (OneWeb reagierte ebenfalls nicht auf eine Anfrage zur Stellungnahme.) Selbst wenn Softwareprogramme die Satelliten aus den Bildern herauslöschen können, um die Pixel zu retten, werden Datenfehler auf den Lichterkennungs-Chips noch immer ein Problem darstellen. »Das Betreiben von Satelliten im [erdnahen Orbit] stellt eine erhebliche Gefahr für die Hauptaufgabe von LSST dar: die Entdeckung dessen, was niemand erwartet hätte«, schlussfolgert der Bericht des Rubin-Observatoriums.

Astronomen und sogar ein privates Unternehmen tüfteln an einer Software, die einige der Satellitenstreifen beseitigen oder die Blickrichtung des Teleskops ändern kann, um sie zu vermeiden. Das ist allerdings schwierig, denn die Satelliten bewegen sich und erscheinen in verschiedenen Farbfiltern unterschiedlich, um nur einige der Probleme zu nennen. Meredith Rawls von der University of Washington arbeitet in einem Team, das künftig Alarmmeldungen für jene unvorhergesehenen Phänomene am Nachthimmel verschicken wird, die das Rubin Observatory einfängt. Das könnten nun 10 Millionen Meldungen pro Nacht werden. Eine Software soll diese filtern und die weltweite Astronomiegemeinschaft nur bei bedeutsamen Ereignissen wie Asteroiden oder Supernovae automatisch kontaktieren, sagt sie.

»In den Streifen kann man diese kleinen, seltsamen Bläschenmuster erkennen, die unsere Software für ein potenzielles Objekt oder eine Supernova hält und sie deshalb markiert. Dabei ist es nur ein Satellit«, sagt sie. »Das führt zu mehr Fehlalarmen, als uns lieb ist, und dann beginnt das Raten: wie viele? Werden es 5 pro Nacht sein oder 500? Wir wissen es nicht.«

Meg Schwamb, Astrophysikerin an der Queen's University Belfast, ist die Astronomin, die vorschlug, die Dämmerungsstudien des Rubin-Observatoriums zu einem frühen Zeitpunkt in dessen zehnjähriger Lebensdauer durchzuführen – jener Vorschlag, der Rachel Street erschaudern ließ. Die Dämmerung ist die Zeit, in der erdnahe Asteroiden leicht gefunden werden können und in der das Rubin-Observatorium viele neue Asteroiden entdecken könnte. Der Meteor von Tscheljabinsk zum Beispiel, der 2013 alle erschütterte, als er über Russland explodierte, kam aus einer ähnlichen Richtung wie die Sonne und ist genau die Art von Objekt, für die das Rubin-Observatorium entwickelt wurde. Allerdings werden Beobachtungen bei teilweiser Sonneneinstrahlung schwieriger sein, da die Sonnenkollektoren der Satellitenkonstellationen zu dieser Zeit von der Sonne beleuchtet werden.

»Es handelt sich auch um eine grundsätzliche kulturelle Frage: Sollte Elon Musk kontrollieren, was die Menschen am Nachthimmel sehen?«Meg Schwamb, Astrophysikerin

»Ich hätte nie gedacht, dass ich als Astronomin einmal dafür plädieren würde, Beobachtungen vorzuziehen, weil wir nicht wissen, wie das Satellitenfeld aussehen wird«, sagte Schwamb. In der Regel gehen Astronomen eher davon aus, dass sie die Lebensdauer ihrer Observatorien verlängern und in späteren Jahren neue, weitere Kampagnen starten werden. Diese Reihenfolge umzukehren und stattdessen dafür zu sorgen, dass einige grundlegende wissenschaftliche Arbeiten erledigt werden, bevor das Observatorium von Satellitenlicht geblendet wird, steht im Widerspruch zu den Plänen vieler Wissenschaftler, die ihre Arbeit und sogar ihre gesamte Laufbahn auf andere Weise planen. Schwamb vergleicht die Satellitenkonstellationen mit orbitaler Werbung und argumentiert, dass die Menschheit herausfinden muss, wie man sie kontrolliert und was sie tun sollen. »Wenn es nicht Starlink, sondern Coca-Cola wäre, wären wir dann damit einverstanden?« fragte sie. »Es handelt sich auch um eine grundsätzliche kulturelle Frage: Sollte Elon Musk kontrollieren, was die Menschen am Nachthimmel sehen?«

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler räumen ein, dass SpaceX eine Reihe von Methoden zur Verdunkelung seiner Satelliten ausprobiert hat. Die Objekte sind aber trotz allem sichtbar und andere Anbieter wenden keine derartigen Abschwächungsstrategien an. Hinzu kommt, dass die neueren Starlink-Satelliten und die von anderen Unternehmen hergestellten Satelliten viel größer und entsprechend heller sind als die bisherigen. Ein Unternehmen namens AST SpaceMobile startete am 10. September einen Prototypen namens BlueWalker 3, der bald das hellste Objekt am Nachthimmel neben dem Mond sein könnte. Er enthält ein 64,4 Quadratmeter großes phasengesteuertes Antennensystem, das direkt mit Mobiltelefonen auf der Erde kommunizieren kann und sogar den Jupiter überstrahlen könnte. AST SpaceMobile beabsichtigt, in den nächsten Jahren 168 noch größere Satelliten, BlueBirds genannt, zu starten. Ein Sprecher des Unternehmens sagte, dass die Tests von BlueWalker 3 den Ingenieuren helfen werden, die Materialien des Satelliten zu bewerten und seine Helligkeit einzuschätzen, und fügte hinzu, dass das Unternehmen aktiv mit Branchenexperten und der NASA zusammenarbeitet, um Bedenken hinsichtlich der Helligkeit zu zerstreuen. AST SpaceMobile erwägt antireflektierende Materialien und Änderungen im Betrieb, um die Satelliten dunkler zu machen.

Die Zahl der BlueBird-Satelliten wird zwar insgesamt weitaus geringer sein als in anderen Konstellationen üblich, aber sie könnten eine andere Art von Problem aufbringen. Einige Teleskope sind möglicherweise in der Lage, sehr helle BlueBirds zu vermeiden, so wie manche Teleskopkameras dafür ausgelegt sind, helle Objekte wie Planeten oder den Mond zu vermeiden. Bei Hunderten von ihnen wird das allerdings schwierig. Und ein heller Satellit, der die Langzeitbelichtung einer Digitalkamera durchläuft, könnte zu einem Schmorbrand in der empfindlichen Elektronik der Kamera führen.

»Es ist klar, dass die Technologie vorhanden ist. Wenn man den Nachthimmel zerstören will, kann man das tun«, sagt Jonathan McDowell. »Es wird von den Details der Geschäftsmodelle dieser Unternehmen und den Details des regulatorischen Umfelds abhängen, ob es auch tatsächlich geschieht oder nicht. Deshalb sollten wir darüber sprechen, ob das akzeptabel ist.«

Globale Regulierungen sind schwierig

Etliche Astronominnen und Astronomen sind der Meinung, dass neue Vorschriften der FCC, die die Satellitenkommunikation in den USA regelt, nicht ausreichen werden. Erst in diesem Frühjahr hat der Ausschuss der Vereinten Nationen für die friedliche Nutzung des Weltraums (COPUOS) eine Sitzung zum Thema Satellitenschwärme abgehalten, doch der Prozess geht nur langsam voran. McDowell sagt, wenn COPUOS den Schutz des Nachthimmels als Teil seiner Aufgabe ansehe, dann könnten die Mitgliedstaaten ermutigt werden, ihre eigenen nationalen Regelwerke zu nutzen, um Vorschriften darüber zu erlassen, wie viele helle Satelliten gestartet werden dürfen und wo sie sein dürfen. Doch die harte Wahrheit ist, dass derzeit niemand viel tun kann, um den stetigen Start von Satellitenkonstellationen und ihren sonnenreflektierenden Solarzellen zu bremsen.

Manch einer hofft bereits auf das Schicksal. Als sich im Februar 2022 einige Starlink-Satelliten in einer niedrigen Umlaufbahn befanden, um sich für den Aufstieg auf ihre endgültige Höhe vorzubereiten , erreichte eine Sonneneruption die Erde und löste in den obersten Schichten der Atmosphäre einen Plasmasturm aus. 40 Satelliten stürzten dadurch ab und verglühten.

»Wenn eine Stadt einen neuen Radweg bauen will, dauert das drei Jahre, weil sie 700 Treffen mit Interessengruppen abhalten muss. Das würde ich mir auch für den Weltraum wünschen«Meredith Rawls, Astronomin

Die Mitglieder des Rubin-Observatorium-Teams hoffen, dass private Unternehmen künftig weniger stark reflektierende Satelliten bauen und sie in niedrigeren Umlaufbahnen betreiben, wodurch sie schneller durchs Bild fliegen, aber diese Entscheidungen sind Sache der Unternehmen; es gibt keine Gesetze, die sie dazu verpflichten. Rawls meint, die Unternehmen sollten von sich aus auf die Astronomen zugehen und ihnen die Ziele ihrer Projekte und die möglichen Auswirkungen auf die Astronomie erklären. »Wenn eine Stadt einen neuen Radweg bauen will, dauert das drei Jahre, weil sie 700 Treffen mit Interessengruppen abhalten muss. Das würde ich mir auch für den Weltraum wünschen«, fügt sie hinzu. »Aber in gewisser Weise ist jeder, der nach oben schaut, Teil einer Interessengruppe. Und das macht die Sache zu einer echten Herausforderung.«

Doch obwohl viele Astronomen ernsthaft besorgt sind, weiß noch niemand, wie schlimm es wirklich wird – oder wie lange das Problem andauern wird. »Sehr bald wird der Himmel visuell eher von diesen Satelliten als von den Sternen selbst dominiert werden«, sagt Anthony Tyson, »und das wird unabhängig davon sein, ob man in einer Stadt oder auf dem Land lebt. Die Zukunft ist eine, in der der Himmel ständig und überall funkelt, und zwar von all diesen Satelliten.«

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