FAQ zum Wiedereintritt von Tiangong 1

8 März 2018

Tiangong 1 (天宫一号, „Himmelspalast“ 1) ist Chinas erste Raumstation und gleichzeitig ein experimentelles Weltraumlabor, mit dem hauptsächlich Rendezvous- und Andockmanöver getestet und perfektioniert werden sollten. Seine COSPAR-Bezeichnung lautet 2011-053A. Tiangong 1 ist am 30. September 2011 um 03:16:03.507 UTC an Bord einer Trägerrakete vom Typ Langer Marsch 2F/G vom Kosmodrom Jiuquan in der Wüste Gobi, Innere Mongolei, gestartet. Seitdem haben eine unbemannte und zwei bemannte Missionen (ausgeführt mit dem Raumschiff Shenzhou, 神舟, „Magisches Schiff“) zur Station stattgefunden.

Anmerkung: Auf diesem Blog wird das Zeitfenster für den Wiedereintritt fortlaufend aktualisiert. Weitere Informationen dazu gibt es im Beitrag ESA beteiligt sich an Wiedereintritts-Kampagne.

Frage: Was wird geschehen?

Die Raumstation Tiangong 1 wird innerhalb des Zeitfensters März-April 2018 wieder in die Erdatmosphäre eintreten und dort verglühen.

Mitte Januar 2018 flog die Station auf einer Umlaufbahn in etwa 280 Kilometern Höhe und näherte sich immer mehr der Erde an; durch die extreme Hitze, die dann bei ihrem Hochgeschwindigkeitsflug durch die Atmosphäre entsteht, wird sie zum Großteil verbrennen (wohingegen andere Raumschiffe, etwa die Sojus-Kapseln, so gebaut sind, dass sie beim Wiedereintritt nicht zerstört werden).

Der graduelle Höhenverlust der Umlaufbahn begann direkt nach dem Start von Tiangong 1 im Jahr 2011. Dieser wird natürlicherweise vom schwachen, aber sehr wohl existenten Luftwiderstand in der Atmosphäre ausgelöst, der sogar noch in Höhen von 300 bis 400 Kilometern besteht – und sämtliche Satelliten und Raumfahrzeuge in erdnahen Umlaufbahnen betrifft, darunter beispielsweise auch die Internationale Raumstation ISS.

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Weltraumstation Tiangong 1Access the image

Deshalb müssen solche Weltraumobjekte regelmäßige Manöver durchführen, die sie wieder in ihre Umlaufbahn anheben. Dies geschieht üblicherweise so, dass Techniker vom Boden aus die Triebwerke oder Steuerraketen für einen bestimmten Zeitraum zünden. Dadurch wird das Raumfahrzeug schneller und steigt wieder höher.

Während des Einsatzes vom Start bis zum Dezember 2015 fanden solche regelmäßigen orbitalen Wartungsmanöver auch an der Station Tiangong 1 statt, sodass diese in ihrer Betriebshöhe von 330 bis 390 Kilometern über der Erdoberfläche blieb.

Frage: Wie sollten die Überreste ursprünglich entsorgt werden?

Ursprünglich war für die Raumstation am Ende ihrer Einsatzzeit ein „kontrollierter Wiedereintritt“ geplant gewesen.

Die Techniker hätten von der Bodenstation aus die Triebwerke gezündet, um dann die Geschwindigkeit der Station erheblich zu verringern, sodass sie in Richtung Erdoberfläche fällt. Die Triebwerke wären zu einem bestimmten Zeitpunkt in Betrieb genommen worden, sodass Tiangong 1 wieder in die Atmosphäre eingetreten und zum Großteil über einem unbesiedelten Gebiet im Südpazifik verbrannt wäre. Nicht verbrannte Stücke wären dann in den Ozean gefallen – weitab von Regionen, in denen Menschen leben. Diese Prozedur hat die ESA zum Beispiel zwischen 2008 und 2015 für fünf ihrer ATV-Weltraumfrachter angewandt.

Allerdings ging die Raumstation Tiangong 1 im März 2016 außer Betrieb, blieb in ihrer Struktur aber unversehrt. Die Techniker am Boden haben den Kontakt zur Station verloren und können die Triebwerke nicht mehr fernzünden. Deshalb wird es für Tiangong 1 zu einem sogenannten „unkontrollierten Wiedereintritt“ kommen.

Frage: Wie groß ist Tiangong 1? Welche Form hat die Raumstation?

Der 10,4 Meter lange Hauptteil des Weltraumfahrzeuges besteht aus zwei, etwa gleich langen Zylindern – einem Servicemodul und einem Versuchsmodul. Das dünnere Servicemodul versorgt die Station mit Energie und war dafür zuständig, sie im richtigen Orbit zu halten. Es hat zwei Solarpanels, die je etwa 3 mal 7 Meter groß sind. Das dickere Versuchsmodul besteht aus einem abgeschlossenen, konischen Abschnitt (im vorderen Bereich), inklusive Andocksystem, einem zylinderförmigen Abschnitt sowie einem konischen Abschnitt im hinteren Bereich. In dem Versuchsmodul können sich auch Menschen aufhalten.

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Auf diesem Foto des französischen Astrofotografen Alain Figer fliegt die chinesische Raumstation Tiangong 1 (übersetzt bedeutet dies „Himmlischer Palast“) kurz vor der Abenddämmerung am Himmel vorbei. Aufgenommen wurde das Bild am 27. November 2017, von einem Skigebiet im Département Hautes-Alpes im Südosten Frankreichs aus. Die Station ist der weiße Streifen unten rechts und war für mehrere Sekunden über dem schneebedeckten Gipfel des Eyssina (2.837 Meter Höhe) zu sehen. Bildnachweis: A. Figer; mit freundlicher Genehmigung.Access the image

Beim Start betrug die Gesamtmasse der Raumstation etwa 8,5 Tonnen (inklusive Treibstoff). Da Tiangong 1 nach ihrer geplanten Einsatzzeit von zwei Jahren noch zwei weitere ganze Jahre erfolgreich in Betrieb war, muss ein Großteil des Treibstoffes zum Halten der Umlaufbahnhöhe sowie zum Aufrechterhalten der Bedingungen im Innern des Versuchsmoduls verbraucht worden sein. Das bedeutet, dass die Masse beim Wiedereintritt wahrscheinlich erheblich geringer sein wird, vergleichbar mit der stillgelegter Satelliten, von denen jeden Monat üblicherweise mehrere unkontrolliert wieder in die Erdatmosphäre eintreten. Die Masse ohne Treibstoff wird auf 7t geschätzt. Geschätzte 1.5t bis 3.5t von Tiangong 1 könnten den Eintritt in die Erdatmosphäre überstehen und die Erdoberfläche erreichen.

Frage: Was ist bisher geschehen und wer ist wie tätig geworden?  

China hat das Büro der Vereinten Nationen für Weltraumfragen (UNOOSA) über den bevorstehenden Wiedereintritt informiert und sich dazu verpflichtet, das Absenken der Umlaufbahnhöhe zu überwachen und vorherzusagen. Darüber hinaus hat das Land eine internationale Verbreitungskampagne im Rahmen der Regelungen des Weltraummüll-Forums Inter-Agency Space Debris Coordination Committee (IADC) angefordert, um Informationen über den bevorstehenden Wiedereintritt zugänglich zu machen.

Das IADC umfasst Weltraummüll- und weitere Experten aus 13 Weltraumagenturen/-organisationen, darunter die NASA, die ESA, nationale europäische Raumfahrtagenturen, die japanische JAXA, die indische ISRO, das koreanische KARI, Roscosmos sowie die chinesische Weltraumorganisation CNSA.

Die IADC-Mitglieder werden diesen Fall nutzen, um ihre jährlich stattfindende Wiedereintrittssimulation durchzuführen. Während dieser sammeln die Teilnehmer ihre Vorhersagen zum Zeitfenster des Wiedereintritts sowie die jeweiligen aufgezeichneten Nachverfolgungs-Daten aus der Radarüberwachung und weiteren Quellen und werten diese gemeinsam aus. Das Ziel dieses Tests ist, die Genauigkeit der Vorhersagen gegenzuprüfen und so für alle Mitglieder zu verbessern.

Die ESA wird diese Kampagne veranstalten und verwalten – ebenso wie die vorangegangenen 20 IADC-Simulationen, die seit 1998 durchgeführt worden sind. Eine ganz besondere Kampagne fand 2013 während des unkontrollierten Wiedereintritts des ESA-Satelliten GOCE statt.

Fortlaufend aktualisierte Informationen werden auf der Website der China Manned Space Agency veröffentlicht, jeweils auf Chinesisch und auf Englisch.

Im Januar 2018 umkreiste die Raumstation die Erde auf einer mittleren Höhe von 280 Kilometern. Es wird angenommen, dass das weitere Absinken und damit der Wiedereintritt unkontrolliert stattfinden wird, da nicht klar ist, inwiefern der aktuelle Orbit beibehalten wird. Dies wurde allerdings noch nicht widerspruchsfrei von den chinesischen Behörden bestätigt. Im Gegenteil, Berichten zufolge sollen die Fluglage und besonders die Ausrichtung von Tiangong 1 stabil sein.

Frage: Über welchem Teil der Erde wird die Raumstation verbrennen?

Wegen der Neigung der Umlaufbahn von Tiangong 1 um etwa 42,8 Grad und der wahrscheinlich unkontrollierten Art und Weise des Wiedereintritts wird sich die endgültige Absturzstelle irgendwo zwischen 42,8 Grad nördlicher und 42,8 Grad südlicher Breite befinden.

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Auf der Karte ist der Bereich zwischen 42,8 Grad nördlicher und 42,8 Grad südlicher Breite grün eingefärbt. Dort könnte der Wiedereintritt von Tiangong 1 stattfinden. Das Diagramm links bildet die Bevölkerungsdichte ab. Access the image

Wie das Diagramm rechts zeigt, ist die tatsächliche Wahrscheinlichkeit des Wiedereintritts nicht überall gleich groß. Wegen der Geometrie der Raumstations-Umlaufbahn ist ein Wiedereintritt an den Außenbereichen (42,8 Grad nördliche Breite sowie 42,8 Grad südliche Breite) wahrscheinlicher als am Äquator.

Warum ist das so?

Wegen der niedrigen Exzentrizität und der nicht-polaren Neigung des Orbits (in anderen Worten, weil die Raumstation in einem Kreis und in einem bestimmten Winkel zum Äquator geneigt um die Erde fliegt), ist Tiangong 1 länger an den Rändern des grün eingefärbten Bereiches unterwegs als über der Äquatorregion. Deswegen ist auch ein Wiedereintritt an diesen Rändern, also am oberen und unteren Ende des oben grün eingefärbten Bereiches, wahrscheinlicher.

Frage: Wird man den genauen Ort und Zeitpunkt des Wiedereintritts voraussagen können?

Erst einen Tag vor dem Wiedereintritt wird man die Bodenspur, und damit die Region auf der Erde, in der die Station herunterkommen wird, grob bestimmen können.

Aber selbst dann unterliegt die Berechnung des voraussichtlichen Wiedereintrittspunkts Einschränkungen. Die Vorhersage auf Kilometer genau ist schon rein technisch nicht möglich – wegen des komplexen Aufbaus der Atmosphäre, des Kräftespiels des wiedereintretenden Objektes sowie der beschränkten Möglichkeiten, die Raumstation ständig im Blick zu behalten.

Im Allgemeinen gelten die Berechnungen für die letzten 20 Prozent der Zeit in der Umlaufbahn als besonders unsicher. Diese Unsicherheit betrifft in der Praxis die sieben Stunden vor dem tatsächlichen Wiedereintritt; in dieser Zeit schafft die Raumstation aber noch eine komplette Erdumrundung. Der genaue Punkt des Wiedereintritts kann also Tausende Kilometer näher oder weiter entfernt vom ursprünglich vorausgesagten liegen!

Das derzeitige Unsicherheitsfenster für den Wiedereintritt ist unten abgebildet (und wird ständig auf diesem Blog aktualisiert).

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Prognostiziertes Zeitfenster für den Wiedereintritt. Die horizontale Achse zeigt an, wann das Diagramm erstellt wurde; die vertikale bildet den Datumsbereich ab, in dem der Wiedereintritt am wahrscheinlichsten ist.Access the image

Falls die Raumstation überhaupt noch über ein betriebsfähiges Lageregelungssystem verfügt, könnte dieses unter dem höheren Geschwindigkeitsdruck (wegen des Herunterstürzens in die Erdatmosphäre) kurz vor dem Wiedereintritt ausfallen. Das würde die Unsicherheit des endgültigen Zeitfensters für den Wiedereintritt erhöhen (wie zum Beispiel beim unkontrollierten Wiedereintritt des ESA-Satelliten GOCE geschehen).

Frage: Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit, dass Trümmerteile nach dem Wiedereintritt und Zerfall der Raumstation auf die Erde stürzen?

Tiangong 1 kann in Sachen Größe und Masse mit anderen häufig genutzten Raumstationen und Weltraumfrachtern wie der ATV der ESA, der japanische HTV, der russische Raumtransporter Progress sowie das Raumschiff Dragon und der Raumfrachter Cygnus (beide USA) verglichen werden.

Basierend auf den bei den kontrollierten Wiedereintritten dieser Raumfahrzeuge gesammelten Daten kann vermutet werden, dass Tiangong 1 während des Wiedereintritts in die Atmosphäre zerfällt. Einige Teile werden allerdings nicht verbrennen und auf die Erdoberfläche stürzen.

Video des Wiedereintritts und Zerfalls des ESA-Weltraumfrachters ATV 1 im September 2008

 

Da der Wiedereintritt unkontrolliert stattfinden wird, erstreckt sich das ellipsoidenförmige Gebiet, in dem verbleibende Teile der Weltraumstation die Erdoberfläche erreichen könnten, über eine Länge von Tausenden Kilometern und eine Breite von Zehntausenden Kilometern. Das bedeutet zunächst, dass eine sehr große Region betroffen sein könnte, dabei bleibt aber zu beachten, dass ein Großteil der Erde von Wasser bedeckt und/oder unbesiedelt ist.

Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Stück der Weltraumstation Tiangong 1 auf einen Menschen fällt, ist deswegen 10 Millionen mal kleiner als die jährliche Wahrscheinlichkeit, von einem Blitz getroffen zu werden.

In der gesamten Geschichte der Raumfahrt gab es noch keinen einzigen bestätigten Fall, in dem ein Mensch von einem Teil Weltraumschrott verletzt oder getötet wurde.

Frage: Inwiefern kann der Wiedereintritt von Tiangong 1 mit bereits erfolgten Wiedereintritten ähnlich großer Raumfahrzeuge verglichen werden?

Mit ihrer (ursprünglichen) Masse von 8,5 metrischen Tonnen ist der Wiedereintritt der Raumstation Tiangong 1 definitiv nicht der größte unkontrollierte Wiedereintritt in der Geschichte der Raumfahrt. Diesen Rekord hält die amerikanische Weltraumstation Skylab mit 74 metrischen Tonnen.

Tiangong 1 gehört zu der Kategorie der modernen Weltraumfrachter (bemannt und unbemannt), vergleichbar mit dem bereits erwähnten ATV (12 Tonnen), dem japanischen HTV (10 Tonnen), dem russischen Raumtransporter Progress (7 Tonnen) und dem Raumschiff Sojus (7 Tonnen), dem amerikanischen Raumschiff Dragon (7 Tonnen) und Raumfrachter Cygnus (5 Tonnen) sowie dem chinesischen Raumschiff Tianzhou (13 Tonnen). Die Masseangaben beziehen sich jeweils auf das beladene Raumfahrzeug; die Tabelle unten stellt die jeweilige Masse beim Wiedereintritt dar.

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Historie vergangener Wiedereintritte. Anmerkung: Am 1. Februar 2003 brach das Space Shuttle Columbia (STS-107) mit einer Masse von 82t unkontrolliert auseinander, was zum Verlust des Raumschiffs und der Crew führte.Access the image

Frage: Wie wird die ESA Neuigkeiten zum Wiedereintritt verbreiten?

Zusätzlich zu den auf diesem Blog veröffentlichten Nachrichten wird die ESA, wie bei solchen Ereignissen üblich, die Behörden der ESA-Mitgliedstaaten regelmäßig mit detaillierten Neuigkeiten zum Wiedereintritt versorgen. 

Was wird die ESA gegen die Probleme mit Weltraumrückständen unternehmen?

Die ESA spielt eine führende Rolle bei der Bekämpfung von Weltraummüll durch:

  • die Überwachung und Verfolgung von Objekten im Weltraum.

Bis zum Ende des Zeitraums 2009-2020 wird die ESA mit ihrem Programm zur Weltraumlageerfassung (Space Situational Awareness - SSA) 200 Mio. € für die Entwicklung europaweiter Warnsysteme für Weltraumwetter, erdnahe Objekte (wie Asteroiden) sowie Trümmerobjekte, die auf menschliche Aktivitäten im Orbit zurückgehen eingesetzt haben. Innerhalb des SSA-Programms entwickelt und demonstriert die ESA Technologien, um Weltraumrückstände aufzuspüren und zu beobachten. Dies dient dazu, Satellitenbetreiber zu alarmieren, sobald Ausweichmanöver für ihre Wetter-, Navigations-, Telekommunikations- oder Wissenschaftsforschungssatelliten erforderlich sind.

  • die Entwicklung von Technologien zur Vermeidung und Beseitigung von Weltraumrückständen

Das „Clean Space“-Büro der ESA hat das CleanSat-Projekt ins Leben gerufen, um die europäische Industrie bei der Entwicklung von Technologien für Raumfahrzeuge im erdnahen Orbit zu unterstützen, die dann vollständig den Vorschriften zur Vermeidung von Weltraumrückständen entsprechen.

CleanSat deckt vier Technologiebereiche ab:

1. Passivierung: Satellitenexplosionen sind eine wesentliche Trümmerquelle. Die Passivierung reduziert die Wahrscheinlichkeit, dass ein Satellit explodiert, indem seine Energieversorgungssysteme  und Batterien deaktiviert und Treibstoffreste beseitigt werden.

2. „Design for Demise“: Viele Raumschiffe treten wieder in die Atmosphäre ein. Durch die Verwendung von Materialien und Konstruktionen, die mit großer Wahrscheinlichkeit vollständig verbrennen, reduzieren Ingenieure die Wahrscheinlichkeit, dass Restteile auf dem Boden aufschlagen.

3. Deorbiting-Systeme: Internationale Richtlinien verlangen, dass Satelliten innerhalb von 25 Jahren nach ihrem Lebensende aus der erdnahen Umlaufbahn entfernt sind. Die ESA führt Studien durch, um Technologien zu entwickeln, die das Deorbiting am Ende der Betriebsdauer erleichtern, ohne die Effizienz der Mission zu beeinträchtigen (Beispiele sind kompakte feste Roboter-Triebwerke für das Deorbiting und sogenannte "Terminator-Segel", die entfaltet werden könnten, um den Widerstand zu erhöhen und den Wiedereintritt zu beschleunigen).

4. Design für die Wartung: Bestandteile wie z.B. Griffe sollen bei zukünftigen Satelliten zur Standardausstattung gehören damit robotische Wartungsmissionen die Satelliten zum  Entfernen, Reparieren oder Betanken des Satelliten greifen können.

Während die erste Maßnahme zur Bewältigung der Weltraumschrottproblematik darin besteht, möglichst keine weiteren Trümmer zu verursachen, ist es auch wichtig bereits existierende große Weltraumrückstände aus stark genutzten  Umlaufbahnen zu entfernen, um potentiellen Explosionen oder Kollisionen vorzubeugen.

Das "Clean Space"-Büro der ESA  arbeitet derzeit an Plänen für die erste "Active Debris Removal" (ADR) Mission . Ziel dieser auch e.Deorbit genannten Mission ist es, einen „Jäger“-Satelliten (zu englisch „Chaser“) zu entwickeln,– der einen schweren, sich außer Betrieb befindlichen ESA-Satelliten einfangen und ihn aus einer Höhe von 800-1000 km und einer nahezu polaren Umlaufbahn entfernen kann.

Diese Mission soll auch als Technologiedemonstration  für die Zielcharakterisierung, für die Beseitigung von Weltraummüll sowie für das Ergreifen von Satelliten dienen - drei Technologiebereiche, die für die ESA und die europäische Industrie von großem Interesse für zukünftige Weltraumwartungsraumschiffe sind.

Welche spezifischen Technologien werden helfen, künftig unkontrollierte Wiedereintritte wie diesen zu vermeiden?

Der wichtigste Aspekt für jeden Raumfahrzeugbetreiber ist, sicherzustellen, dass seine Missionen in der Lage sind, kontrollierte Wiedereintritte nach Betriebsende durchzuführen, bei denen der Satellit zerstört wird. Der spezifische technologische Ansatz hängt von der Masse des jeweiligen Raumfahrzeugs ab:

  • Das "Design for Demise" für Satelliten bis zu 1-2 Tonnen: Durch die Verwendung von Materialien, die beim Wiedereintritt vollständig verbrennen, und Konstruktionen, die zu einem frühen Zeitpunkt des Wiedereintritts einen vollständigen Zerfall begünstigen, können Ingenieure bereits in der Herstellungsphase die Wahrscheinlichkeit verringern, dass Teile nach dem Wiedereintritt die Erdoberfläche erreichen.
  • Für größere Satelliten: Effiziente, kontrollierte Deorbiting-Systeme sind erforderlich. Die ESA führt Studien durch, um Technologien zu entwickeln, die das Deorbiting am Ende der Lebensdauer erleichtern, ohne die Gesamteffizienz der Mission zu beeinträchtigen, wie z.B. verbesserte Druckmesser, um ein genaues Maß für den im Treibstofftank eines Raumfahrzeugs verbliebenen Treibstoff zu erhalten.

Weitere Informationen zu Clean Space und den im Rahmen des CleanSat-Projekts entwickelten Technologien finden Sie im CleanSpace-Blog der ESA

Weitere Informationen

Medienvertreter können das ESA-Öffentlichkeitsarbeitsteam wie folgt erreichen:

esoc.communication@esa.int

ESA/ESOC Communication Office +49 6151 90 2516

Die FAQ wurden vom Space Debris Office, ESA/ESOC, in Darmstadt erstellt und aktualisiert.

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