Das All hat ein Müllproblem. Ein gewaltiges. Tausende Tonnen Weltraumschrott umkreisen die Erde und der schwebende Müllberg wächst immer weiter an. Oft handelt es sich bei den Müllteilen um Reste von abgeschlossenen Weltraummissionen oder um ausgediente Satelliten. Satelliten und Raumstationen wie der Internationale Raumstation ISS kann das gefährlich werden.
Weil die Menge an Objekten in den Umlaufbahnen um die Erde immer größer wird, kann es über kurz oder lang zu einer fatalen Kettenreaktion kommen: Der Schrott kollidiert mit anderen Objekten, wird in Stücke gerissen, die ihrerseits zu gefährlichen Geschossen im Orbit werden.
ISS muss Weltraumschrott ausweichen
Kessler-Syndrom heißt dieses Szenario im Jargon. Einen Vorgeschmack darauf gab es 2009: Damals krachte der US-Kommunikationssatellit Iridium 33 mit dem russischen Aufklärungssatelliten Kosmos 2251 in 800 Kilometern Höhe zusammen. Beide Objekte wurden komplett zerstört und in über 100.000 Bruchstücke zerrissen.
Starlink: Wie Weltraumschrott zur Katastrophe führen kann
Bis heute muss die ISS immer wieder Ausweichmanöver fliegen, weil Trümmerteile der beiden Objekte mit hohen Geschwindigkeiten um die Erde kreisen. Schon kleinste wenige Millimeter große Schrottpartikel können bei einer Kollision die Funktionstüchtigkeit von Satelliten oder Raumstationen beeinträchtigen. Teile ab einer Größe von etwa zehn Zentimetern würden sie bei einem Zusammenstoß im schlimmsten Fall komplett zerstören.
Fliegende Weltraumroboter an Bord der ISS
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler forschen schon lange an möglichen Lösungen. Forschende der Technischen Universität Braunschweig haben zusammen mit dem Saarbrücker Leibniz-Institut für Neue Materialien (INM) einen Mechanismus zum Einfangen von Weltraumschrott entwickelt. Dieser wurde Bord der ISS unter Weltraumbedingungen erfolgreich getestet.
Dazu wurden kleine fliegende Weltraumroboter an Bord der ISS, die sogenannten Astrobees, mit einem speziellen Docking-Mechanismus ausgestattet. Dieser Mechanismus basiert auf Materialien mit Gecko-Effekt: Geckos sind in der Lage, senkrecht an Wänden hochzuklettern und kopfüber an der Decke zu laufen.
Weltraumschrott: Unsere Hinterlassenschaften im Weltall
Das Prinzip: An den Gecko-Füßen sitzen viele Millionen winziger Zehen-Härchen (Setae), die wiederum in jeweils Hunderte winzige Wülste aufgespalten sind. Dadurch entsteht auf engstem Raum eine so große Oberfläche, dass zwischen diesen Wülsten und dem Untergrund Anziehungskräfte zwischen den Molekülen wirken, die sogenannten Van-der-Waals-Kräfte. In ihrer Summe entstehen Anziehungskräfte, die ausreichen, um mehr als 100 Kilogramm Gewicht zu halten.
Das Gecko-Prinzip wird auch an der TU Berlin erforscht. Enrico Stoll leitet das Fachgebiet Raumfahrttechnik der Universität und berichtet im Podcast „Technik aufs Ohr“ wie sie die Gecko-Füße nachbilden, um mit dieser Technik an Solarzellen von Satelliten anzudocken. Jetzt streamen:
„Wir schauen uns den Fuß eines Geckos an. Der haftet ja auch überall. Wir bilden diese Füße nach und können damit einen Docking-Mechanismus entwerfen, zum Beispiel für Solarzellen an Satelliten.“
Mit Gecko-Haftstrukturen Müll im All aufsammeln
Warum die Forschenden auf dieses Konstrukt nach Natur-Vorbild zurückgreifen: Konventionelle Sauggreifsysteme funktionieren im Vakuum des Weltalls nicht. Zudem sind Schrottobjekte im All meist nicht kontrollierbar: Sie taumeln und können ihre Lage und Position nicht so regeln, wie es der „Müllsammler“ gern hätte. Die neuen Gecko-Haftstrukturen sind unter Vakuumbedingungen indes funktionsfähig.
Der neue Ansatz unterscheidet sich von vorherigen Experimenten vor allem darin, dass das Docking nicht mehr manuell erfolgen muss, sondern automatisiert abläuft: Die nötigen Kräfte zum Aktivieren der Adhäsionskräfte entstehen durch die Geschwindigkeitsregelung des Sammel-Satelliten. Ein passiver Ausrichtmechanismus korrigiert kleine Winkelfehler und dämpft den Stoß beim Kontakt mit dem frei schwebenden Objekt, das aufgesammelt werden soll, ab.
Wie Geckos haften
Geckos haben Millionen feiner Härchen an ihren Füßen. Damit haften die Reptilien auf Steinen, Blättern und sogar glatten Glasscheiben. Die Haftkräfte übersteigen ein Vielfaches des Eigengewichts. Forschende haben lange nach der Lösung dieses Phänomens geforscht. Sie untersuchten die Prozesse direkt an der Kontaktfläche. Das Ergebnis: Geckos nutzen neben den Van-der-Waals-Kräften weitere komplexe Wechselwirkungen, deren Stärke jeweils vom Material der Kontaktfläche abhängt. Geckofüße weisen dank ihrer natürlichen, wasserunlöslichen Lipidschicht noch weitere Hafteigenschaften auf. Aufgrund einer Kombination mit Säure-Base-Wechselwirkungen können sich die Reptilien mühelos auf verschiedenen Materialien festhalten und auf ihnen laufen.
ISS-Experimente erfolgreich
In den ISS-Experimenten konnten unterschiedliche Gecko-Haftmaterialien an verschiedenen Oberflächen getestet werden, die typischerweise beim Bau von Satelliten Verwendung finden, wie etwa Acrylglas, das bei Solarpanelen verwenden wird, oder Multilayer Insulation (MLI) sowie Aluminium, das sich in der Außenhaut von Satelliten findet. Der neue Einfang-Mechanismus lasse sich auch auf kleinen Plattformen wie CubeSats – ein Standard, der häufig bei kostengünstige Kleinsatelliten Verwendung findet – implementieren.
Experten gehen davon aus, dass die Menge an Weltraumschrott nicht zuletzt auch durch immer größere Satellitenkonstelltationen wie etwa das Starlink-Projekt von Elon Musks Spacex deutlich steigen wird. Wenn nur einer von Hunderten Satelliten ausfällt und nicht mehr steuerbar ist, drohen gefährliche Kollisionen. “Das ist in der Tat beängstigend“, sagt zum Beispiel Sabine Klinkner vom Institut für Raumfahrtsysteme an der Uni Stuttgart. „Betreiber solcher Konstellationen erklären zwar, dass sie sicherstellen, dass nur eine geringe Prozentzahl der Satelliten ausfallen. Aber wenn man das auf Tausende Satelliten bezieht, dann steuern wir unausweichlich auf den Kessler-Effekt zu.” Einzelne Satelliten, die ausfallen und entsprechend nicht mehr entsorgt werden können, seien ein “wahnsinnig großes Risiko”, so Klinkner.
Ungeklärt sind nach wie vor auch Frage, wer eigentlich für den Müll, der durch Weltraummissionen entsteht, verantwortlich ist. Klare Regeln und Vorschriften gibt es bislang keine.
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