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Weltraumradar Gestra: Schraubenschlüssel im Orbit aufspüren, Crashs vermeiden

Immer mehr alte Satelliten, Raketenteile und anderer Weltraumschrott drängen sich im Erdorbit. Kollisionsgefahr! Ein neues Weltraumradar soll künftig Schlimmstes verhindern. Doch ob die Auflösung reicht, ist fraglich.
Diverser Weltraumschrott kreist um die Erde, wie diese Simulation verdeutlicht.

Im Juni 2020 verlassen vier Tieflader ein Forschungsinstitut in der Nähe von Bonn. Die Ladung wiegt insgesamt 180 Tonnen. Zwei runde Kuppeln ragen meterweise über die breiten Fahrzeuge hinaus, dazu kommen zwei jeweils fünf Meter hohe und breite Container. Nur nachts und immer gesichert durch die Polizei geht es voran. Ampeln werden aus dem Weg geräumt, ein technischer Defekt an einem Anhänger muss behoben werden. Schließlich erreichen die Container ihr Ziel, eine Kaserne der Bundeswehr bei Koblenz. Dort wird die Fracht, das German Experimental Space Surveillance and Tracking Radar, kurz Gestra, schon bald den Weltraum mit Radarwellen überwachen.

Das Problem ist nämlich, dass immer mehr Weltraumschrott um die Erde fliegt: alte Raketenstufen, ausgefallene Satelliten, von Astronauten verlorene Schraubenschlüssel kreisen dort, aber auch winzige zu Kugeln gefrorene Reste aus Treibstofftanks, geplatzten Batterien oder gar die Hinterlassenschaften getesteter Antisatellitenwaffen. Das Büro für Weltraumrückstände der Europäischen Weltraumorganisation ESA schätzt, dass im Orbit 34 000 Objekte in Handballgröße oder darüber kreisen, fast eine Million haben die Größe eines Tischtennisballs. Und sie sind so schnell unterwegs, dass selbst kleine Teile jederzeit einen Satelliten durchlöchern oder zerstören können. Die Objekte müssen erfasst, ihre genauen Umlaufbahnen bestimmt und in einen Katalog eingetragen werden, um das Risiko für aktive Satelliten oder Raumstationen einzuschätzen, von ihnen getroffen zu werden. Nur dank einer detaillierten Überwachung werden frühzeitige Ausweichmanöver möglich.

Gestra-Empfänger | Die Empfänger des Weltraumradars Gestra sind in Containern untergebracht.

Tira – bisheriges deutsches Großradar hat Detailblick

Gestra wurde innerhalb der letzten fünf Jahre am Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik (FHR) bei Bonn im Auftrag des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickelt. Wer das in Deutschland führende Forschungszentrum für Radartechnik besucht, wird mit einem außergewöhnlichen Anblick belohnt: In der sanften Hügellandschaft der Voreifel thront eine weiße Kugel mit einem Durchmesser von fast 50 Metern auf einem dreigeschossigen runden Gebäude – wie ein überdimensionierter Golfball, der zum Abschlag bereit liegt. Unter der wasserdichten Kuppel verbirgt sich das so genannte Tracking and Imaging Radar, kurz Tira, bestehend aus einem 34-Meter-Parabolspiegel, der als einer der schnellsten der Welt gilt. In nur 15 Sekunden dreht sich das Ungetüm um sich selbst, um schnell vorbeiziehende Objekte beobachten zu können. Bereits in den 1970 Jahren wurde Tira in Betrieb genommen, in erster Linie, um frühzeitig Interkontinentalraketen zu erkennen. Bald ging es jedoch zunehmend darum, Satelliten im All zu verfolgen und Bilder von ihnen zu schießen. Nach dem Ende des Kalten Kriegs kamen weitere zivile Überwachungsaufgaben im niedrigen Erdorbit hinzu.

Radom Wachtberg | Die weiße Radarkuppel in Wachtberg hat einen Durchmesser von fast 50 Metern. Die gesamte Großradaranlage wird offiziell als Weltraumbeobachtungsradar Tira (Tracking and Imaging Radar) bezeichnet und ist ein Forschungsradar des Fraunhofer FHR. Die Anlage ist bereits seit den 1970er Jahren in Betrieb.

Wenn im All etwas Unerwartetes vorfällt, etwa wenn ein Satellit ohne erkennbaren Grund nicht funktioniert, klingelt im Kontrollraum das Telefon. Kurz darauf setzt sich die Kuppel in Bewegung, das Radar wird ausgerichtet und fokussiert. Bestenfalls lässt sich ein gutes Bild des Satelliten aufnehmen, auf dem das Problem direkt erkennbar ist: beispielsweise eine beschädigte Antenne oder ein nicht entfaltetes Solarpaneel. Im schlimmsten Fall kam es zu einem Crash zwischen zwei Satelliten. Dann ist nur noch ein Trümmermeer sichtbar.

In so genannten Beampark-Experimenten lässt sich außerdem die Auflösung punktuell deutlich vergrößern. Dabei hilft das 20 Kilometer von Wachtberg entfernte und 100 Meter große Radioteleskop von Effelsberg. Werden die Radarpulse von Tira etwa an Schrottteilchen in einem kleinen Himmelsausschnitt zurückgeworfen, kann Effelsberg sie auffangen. Mit solchen Experimenten kann zum Beispiel die Anzahl nur wenige Millimeter großer Trümmerteilchen in einer Entfernung von 1000 Kilometern bestimmt werden.

Gestra soll Überblick verschaffen

Gestra soll hingegen in eine ganz andere Lücke vorstoßen, die in Europa bislang vernachlässigt wird: Es soll Überblick verschaffen. Das neue Radar besteht aus 256 Einzelantennen, die nach dem Prinzip phasengesteuerter Antennen arbeiten. Das heißt, deren Sendeleistungen und -richtungen werden gekoppelt, wodurch sich nun nicht mehr nur einzelne Satelliten am Himmel verfolgen lassen. Statt eines einzelnen Messkegels, Radartechniker sprechen von einer Keule, können die gekoppelten Antennen beinahe beliebige Stellen am Himmel gleichzeitig beobachten. Gestra kann daher den Himmel in hoher Geschwindigkeit scannen und seinen Fokus innerhalb von Millisekunden verändern.

Antenne Gestra | Das komplexe Radarsystem von Gestra besteht aus 256 einzeln elektronisch gesteuerten Antennen und Empfangseinheiten.

Auf diese Weise lässt sich eine Messlinie über den gesamten Himmel legen. Jeder Satellit und jedes Weltraumschrottteil, das die Linie quert, wird registriert. Wenn das passiert, kann eine kleine Messkeule das entdeckte Objekt verfolgen und seine Bahn genauer bestimmen, während der Rest der Messlinie wie gehabt weitermisst. Die komplexe Steuerung übernimmt die Software, während die Einzelantennen sich zueinander nicht bewegen müssen. So können die Betreiber kontinuierlich über einen langen Zeitraum über alle Objekte Buch führen, die den Himmel über Koblenz kreuzen.

Katalog für Weltraumschrott bislang lückenhaft

Eigentlich ist das, was Gestra machen soll, nichts Neues. Es gibt längst Kataloge aller registrierbaren Objekte im Orbit: Die USA, Russland oder China überwachen den Weltraumverkehr mit eigenen Radaranlagen bereits minuziös. Doch die Daten sind weitgehend geheim. Lediglich die Amerikaner gewähren befreundeten Weltraumagenturen und Satellitenbetreibern einen Einblick in ihren Katalog der Orbitobjekte. Aber auch hier ist die freundliche Geste begrenzt: Satelliten des US-Militärs, der US-Geheimdienste oder Bruchstücke davon tauchen darin nicht auf. In Zeiten global zunehmender Spannungen und eines wachsenden Misstrauens innerhalb des Nato-Bündnisses ist das keine zufrieden stellende Situation für Deutschland.

Entsprechend sehen Mitarbeiter des DLR mit Gestra bereits eine neue Ära der Weltraumbeobachtung anbrechen. Und die Bundeswehr lobt, die Daten von Gestra würden den eigenen Katalog von Bahndaten vieler Objekte im Orbit bereichern. Im Weltraumlagezentrum in Uedem am Niederrhein wachen seit dem Jahr 2009 DLR und Bundeswehr gemeinsam über die Sicherheit von Satelliten. Was dort aber bislang fehlte, waren wirklich zuverlässige Daten. Mit Gestra soll sich das ändern.

Solch detaillierte Daten, wie sie die Amerikaner aufzeichnen, wird Gestra jedoch nicht liefern können. In den USA wurde erst im März 2020 ein ganz neuer Horchposten namens Space Fence fertig gestellt, eine Radarstation auf einer der Marshallinseln im Pazifik. Wie bei Gestra messen die Verantwortlichen ebenfalls mit phasengesteuerten Antennen – doch die spielen in einer anderen Liga als die des experimentellen Radars aus der Voreifel. Dazu reicht ein Blick auf die Investitionen: Gestra kostete 25 Millionen Euro, das neue System der Amerikaner 1,5 Milliarden Dollar, also gut das 50-Fache. »Es ist unrealistisch zu glauben, wir könnten in den nächsten zehn Jahren das gleiche Niveau bei der Überwachung des Weltraumverkehrs erreichen«, sagt Manuel Metz, der beim DLR für Weltraumschrott verantwortlich ist. »Die Amerikaner haben einfach ein vielfach höheres Budget.«

Europäischer Schrottkatalog ohne die ESA

Wie wichtig es ist, den Verkehr im Orbit zu verfolgen, zeigte sich zuletzt am 27. März 2019. Eine von einem indischen Militärstützpunkt abgefeuerte ballistische Rakete zerstörte den Kleinsatelliten Microsat-R, der eigens in den Orbit gebracht worden war, um die Funktion der Waffe zu testen. Das Space Command der US-Luftwaffe lieferte noch am gleichen Tag Zahlen: 270 Trümmerteile seien entstanden. Vereinzelte Bruchstücke erreichten ein Apogäum, also den erdfernsten Punkt der Umlaufbahn, das noch weit oberhalb der Bahnhöhe der Internationalen Raumstation lag. Somit kreuzten die Trümmer die Bahnebene der ISS. Auch die ESA präsentierte einen Tag nach dem Waffentest eine eigene Analyse. Man hätte sich dabei aber noch hauptsächlich auf Daten aus den USA verlassen müssen, sagt Holger Krag, der das ESA-Büro für Weltraumrückstände leitet.

Diese Abhängigkeit von US-amerikanischen Daten müsste aber eigentlich in diesem Ausmaß gar nicht sein, wäre in Europa die Überwachung des Alls nicht noch immer die Sache nationaler Streitkräfte. Frankreichs Militär betreibt ein Radar südlich von Marseille, Großbritannien eines in Fylingdales im Nordosten Englands. Es gibt optische Teleskope in der Schweiz und Frankreich, die nach sichtbaren Schrottteilen am Nachthimmel fahnden. Die Betreiber dieser Geräte arbeiteten lange nur anlässlich ausgewählter Suchkampagnen zusammen.

Immerhin versucht die EU-Kommission die Zusammenarbeit zu fördern und finanziert mit eigenen Haushaltsmitteln den Verbund European Space Surveillance and Tracking (EUSST), in dem seit 2015 zumindest Frankreich, Deutschland, Italien, Spanien und Großbritannien ihre Daten über den Weltraumverkehr in einem gemeinsamen Katalog bündeln; seit 2018 sind auch Polen, Portugal und Rumänien dabei. Zivile Betreiber von Satelliten wie etwa die ESA bleiben aber weiterhin größtenteils außen vor. Sie können sich lediglich als Nutzer bewerben, um beispielsweise Kollisionswarnungen für eigene Satelliten zu erhalten.

Als die Container und Kuppeln zur Bundeswehrkaserne bei Koblenz rollen, liegt eine Mischung aus Geheimhaltung und zur Schau getragenem Stolz in der Luft. Das Fraunhofer-Institut veröffentlicht Bilder einer Fotodrohne, während sich Metz vom DLR über Details ausschweigt: »Wie genau Satelliten oder Bruchstücke durch Gestra aufgelöst werden können, machen wir noch nicht öffentlich.«

Bereits im Herbst soll das Gerät an die Bundeswehr übergeben und dann ausgiebig getestet werden. Die Betreiber bei DLR und Bundeswehr planen, in den nächsten Jahren einen zweiten Empfänger aufzustellen, ebenfalls in einem schmucklosen Container, der mehrere hundert Kilometer entfernt die Radarimpulse auffängt, die aus dem All zurückgeworfen werden. Das soll die Auflösung von Gestra verbessern. Die gesammelten Daten sollen mittelfristig in den europäischen Verbund EUSST aufgenommen werden, der jedoch auch dann Stückwerk bleibt. Gestra eröffne laut Metz lediglich Möglichkeiten der Kooperation. Ein echter europäischer Überwachungsschirm für das All ist noch in weiter Ferne.

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