Künstliche Erdsatelliten

Inhalt dieses Artikels:

• Die Raumfahrt begann mit dem Schock
• Der Unterschied zwischen Sonden, künstlichen und natürlichen Satelliten
• Einsatzgebiete künstlicher Erdsatelliten
• Weltraumteleskope und Raumstationen
• Die Umlaufbahnen von Satelliten
• Satellitenschrott: Was geschieht am Ende der Nutzungsdauer?
• Wer befördert Satelliten ins All?

Am 4. Oktober 1957 startete vom russischen Weltraumbahnhof Baikonur der erste künstliche Erdsatellit ins All. Sputnik 1 war ein nur 58 Zentimeter großer und gut 84 Kilogramm schwerer Aluminiumball. Ausgerüstet mit einem Thermometer und einem Kurzwellensender umkreiste der Satellit die Erde in anfänglich 96 Minuten. Die bei seinen Erdumrundungen ausgestrahlten Funksignale konnten 21 Tage lang weltweit empfangen werden. Nach nur 92 Tage allerdings verglühte Sputnik in der Erdatmosphäre.

Die Raumfahrt begann mit dem Schock

Politisch war der russische Erdsatellit ein Schock, der als Sputnikschock in die Geschichtsbücher einging. An dieser Tatsache änderte auch die kurze Flugzeit nichts –schließlich es war der Sowjetunion gelungen, vor den Amerikanern einen Satelliten ins All zu befördern. Der damalige amerikanische Präsident Dwight D. Eisenhower selbst hatte am 29. Juli 1955 verkündet, dass die USA im Rahmen des Internationalen Geophysikalischen Jahres vom 1. Juli 1957 bis zum 31. Dezember 1958 einen künstlichen Erdsatelliten ins All schicken würden. In der frühen Phase des kalten Krieges wurde die Ankündigung der Amerikaner von den Sowjets als Provokation empfunden und sie reagierten prompt. Nur vier Tage nach Eisenhower gab die sowjetische Führung unter Nikita Chruschtschow bekannt, ebenfalls einen Satelliten starten zu wollen. Damit war der Wettlauf ins All eröffnet.

Anfänglich ging es ausschließlich um den politischen Wettstreit zweier politischer Systeme. Der erfolgreiche Start des Sputnik traf die westliche Welt unvorbereitet, erst am 1. Februar 1958 konnten sie mit dem Start des Satelliten Explorer 1 an Bord einer mehrstufigen Jupiter-C-Trägerrakete mit den Sowjets gleichziehen. Explorer war mit geophysikalischen Messinstrumenten (Magnetometern) und Telemetrie-Antennen ausgerüstet. Mit ihm gelang der erste Nachweis des Van-Allen-Strahlungsgürtels um die Erde. Am 31. März 1970, zwölf Jahre nach seinem Start, verglühte auch Explorer 1 in der Erdatmosphäre.

Sonden, künstliche Satelliten und natürliche Erdsatelliten – wo liegt der Unterschied?

Das bekannteste Beispiel für einen natürlichen Erdsatelliten ist unser Mond, der seit mehreren Milliarden Jahren die Erde umkreist. Vor ein paar Jahren haben Wissenschaftler jedoch herausgefundenen, dass der Mond nicht der einzige natürliche Erdsatellit ist. Immer wieder gelangen kleinere Asteroiden, eingefangen von der Erdanziehung, in eine Erdumlaufbahn. Sie verglühen nicht in der Atmosphäre oder schlagen auf der Erdoberfläche ein. Sie umkreisen die Erde für ein paar Tage bis zu wenigen Monaten als natürlicher Satellit und ziehen dann meist weiter auf ihrer Bahn durchs Universum.

Im Gegensatz dazu ist eine Sonde oder Raumsonde, ein von Menschenhand geschaffener, unbemannter Flugkörper. Sonden werden von der Erde aus gestartet, umkreisen sie aber nicht wie ein künstlicher Erdsatellit. Raumsonden werden eingesetzt, um Planeten, das Sonnensystem oder andere Objekte im All zu erkunden. Je nach Aufgabe fliegen Sonden an Himmelskörpern vorbei (Vorbeiflugsonden), schwenken zu Beobachtungszwecken in eine Umlaufbahn ein (Orbiter) oder landen auf einem anderen Himmelskörper. Im letzteren Fall handelt es sich um sogenannte Lander. Bekannte Raumsonden der vergangenen Jahre sind Rosetta von der ESA, die von 2004 bis 2016 zur Erkundung des Kometen 67P (Tschurjumow-Gerassimenko, kurz Tschuri) eingesetzt wurde oder die Raumsonde Juno, die von der NASA im Jahr 2011 zur Erkundung des Jupiter gestartet wurde.

Wissenschaft, Militär, Navigation und Kommunikation – Einsatzgebiete künstlicher Erdsatelliten

Nach den ersten unter hohem Zeitdruck erfolgten Starts von Erdsatelliten in der zweiten Hälfte der 1950er Jahre begann Anfang der 1960er Jahre die systemische Entwicklung von Satelliten für unterschiedliche Einsatzzwecke. Telstar 1 war 1962 der erste kommerziell genutzte amerikanische Satellit. Telstar 1 ermöglichte eine direkte Fernseh- und Rundfunkverbindung zwischen den USA, Japan und Europa. Angefangen bei der täglichen Wettervorhersage wäre vieles, was heute im Alltag selbstverständlich ist, ohne Satelliten kaum möglich.

Wettersatelliten

Ausgerüstet mit Kameras, Messinstrumenten für Luftdruck, Temperatur, Radiometern sowie Radar und Lasern umkreisen Wettersatelliten auf geostationären und polaren Umlaufbahnen die Erde. Die gesammelten Daten werden von Computerprogrammen übernommen und daraus die Wettervorhersage erstellt sowie Prognosen für den Klimawandel abgeleitet.

Erdbeobachtungssatelliten

Zu den Erdbeobachtungssatelliten zählen verschieden Untergruppen, darunter die Wetter- und Klimaüberwachungs-Satelliten wie METEOSAT und AVHRR, Satelliten zur Landerkundung wie LANDSAT und SPOT, aber auch militärisch genutzte Spionagesatelliten. Je nach Aufgabe werden Erdbeobachtungssatelliten mit unterschiedlichen Messinstrumenten und Sensoren bestückt, darunter hochauflösende Kameras.

Zivile Erdbeobachtungssatelliten werden beispielsweise eingesetzt, um Veränderungen der Eismassen an Nord und Südpol zu überwachen, Umweltsünder aufzuspüren, die Abholzung des Regenwaldes zu dokumentieren oder um Bodenschätze zu finden. Wie ein solcher Wächtersatellit arbeitet, haben wir in einem Beitrag zu Sentinel 2 dokumentiert. Er ist einer von fünf Erdbeobachtungssatelliten aus dem Copernicus-Programm der Europäischen Weltraumorganisation (ESA).

Kommunikationssatelliten

Fernsehen, Rundfunk und Mobilfunk, wie wir es heute kennen, wären ohne Kommunikationssatelliten nicht denkbar. Weltweite Liveübertragungen von sportlichen Großveranstaltungen oder politischen Ereignissen im Fernsehen, das komplette Internet und Telefongespräche von Kontinent zu Kontinent mit einem Smartphone werden durch Kommunikationssatelliten ermöglicht.

Dafür benötigen Kommunikationssatelliten gewissermaßen den direkten Sichtkontakt zum Sender und zum Empfänger der Signale. Sie werden daher auf geostationären Umlaufbahnen positioniert. Die große Höhe der Umlaufbahn ermöglicht die Signalabdeckung eines enormen Teils der Erdoberfläche. Beispiele für europäische Fernsehsatelliten sind ASTRA und EUTELSAT.

Navigationssatelliten

Derzeit aktiv sind die Navigationssatelliten für das amerikanische GPS, das russische GLONASS, das Compass Navigationssystem der Chinesen und des Europäischen Gemeinschaftsprojektes Galileo. Das Galileo Navigationssystem ist das erste von der ESA und der EU gemeinsam durchgeführte Projekt. Bis zum Jahr 2018 sollen, wie für das amerikanische GPS, insgesamt 30 Satelliten in einer geostationären Umlaufbahn ausgesetzt werden. Seit Ende 2016 ist Galileo in Betrieb, die Daten sind allgemein zugänglich.

Militärische Satelliten

Über die militärische Nutzung von künstlichen Erdsatelliten ist wenig bekannt. Mit welchen Instrumenten sie ausgerüstet sind und welche Fähigkeiten sie besitzen, unterliegt im Allgemeinen einer strenge Geheimhaltung. Bekannt ist, dass sie zur Beobachtung von Truppenbewegungen und -stationierungen, für die Überwachung von Abrüstungsvereinbarungen oder von Raketenstarts eingesetzt werden.

Weltraumteleskope und Raumstationen

Weltraumteleskope und bemannte Raumstationen zählen ebenfalls zu den künstlichen Erdsatelliten. Die erste bemannte Raumstation war die russische Saljut 1, die am 19. April 1971 in eine Erdumlaufbahn geschossenen wurde. Die Station war insgesamt 24 Tage besetzt. Die erste und einzige rein amerikanische Raumstation war das Skylab, das in der Zeit vom 14. Mai 1973 bis zum Absturz am 11. Juli 1979 um die Erde kreiste. Die russische Raumstation Mir war dagegen von 1986 bis 2001 insgesamt 4.594 Tage im All.

Die bekannteste Raumstation heute ist aber die internationale Raumstation ISS, die seit dem 20. November 1998 ständig besetzt ist. Insgesamt wurden in den vergangen 45 Jahren 13 Raumstationen ins All geschickt. Darunter zuletzt die beiden chinesischen Projekte Tiangong 1 (2011) und Tiangong 2 (seit 2016).
Das Zeitalter der Weltraumteleskope begann 1968 mit dem Start der amerikanischen Radio Astronomy Explorer A / B. Danach folgten bis heute mehr als 40 weitere Weltraumteleskope, die mit unterschiedlichen Kameras Bilder im Bereich des sichtbaren Lichts, der Röntgen- und Gammastrahlen sowie im Mikrowellenbereich aufgenommen haben. Die bekanntesten Weltraumteleskope sind wahrscheinlich das Hubble-Teleskop von NASA und ESA (1990 bis heute), das in einer Höhe von 569 Kilometern spektakuläre Bilder aus dem All liefert. Ab 2018 soll der Nachfolger James Webb Space Telescope (JWST) das in die Jahre gekommene Teleskop Hubble beerben.

Der zweite bekannte Repräsentant dieser Familie dürfte Kepler von der NASA sein, der seit 2009 um die Erde kreist. Das Kepler-Teleskop hat 2015 eine mögliche „zweite Erde“ entdeckt, hielt seine auf der Erde stationierten Kollegen aber ebenfalls schon mit größeren Pannen in Atem.

Die Umlaufbahnen von Satelliten

Je nach Aufgabe werden künstliche Erdsatelliten in unterschiedlichen Höhen über der Erde ausgesetzt und bewegen sich auf unterschiedlichen Umlaufbahnen. Die Umlaufbahn eines Satelliten wird als Orbit bezeichnet. Erderkundungs-, Spionage-, Wettersatelliten und Raumstationen kreisen auf einem sogenannten Low Earth Orbit (abgekürzt LEO) in Höhen von 200 bis 2.000 km um die Erde. Der nächsthöhere Orbit mit einem Abstand von 2.000 bis 36.000 km zur Erdoberfläche wird als Medium Earth Orbit (MEO) bezeichnet. Hier befinden sich meist Kommunikationssatelliten. Der Geostationäre Orbit für Navigations-, Kommunikations- und Fernsehsatelliten liegt in einer Höhe von rund 36.786 km über dem Äquator. Satelliten auf einer geostationären Umlaufbahn bewegen sich relativ zur Erdoberfläche nicht. Sie stehen bewegungslos über der gleichen Stelle. Tatsächlich bewegen sie sich jedoch mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit wie die Erdoberfläche um die Erdachse.

Noch einmal rund 300 km über dem geostationären Orbit befindet sich der sogenannte Friedhofsorbit für ausgediente Satelliten. Die Haupt-Umlaufbahnen verlaufen entlang des Äquators oder bei polaren Umlaufbahnen auch über Nord- und Südpol.

Satellitenschrott: Was geschieht am Ende der Nutzungsdauer?

Um die Erde kreisen nicht nur funktionierende Satelliten, auch ausgediente ihrer Art, ausgebrannte Stufen von Trägerraketen und vieles mehr kreist dort oben – und wird zunehmend zur Gefahr für aktive Satelliten und die bemannte Raumfahrt. Die ISS-Besatzung musste sich schon mehrmals vor anfliegenden Trümmerteilen in die Sojus-Kapsel retten. Lange Jahre machte sich dennoch niemand ernsthafte Gedanken darüber, was am Ende der Nutzungsdauer mit ausgedienten Satelliten geschah. Man überließ sie ihrem Schicksal. Entweder sie blieben bis heute oben, verglühten irgendwann in der Erdatmosphäre oder fielen zurück auf die Erde.

Insgesamt, so wird geschätzt, umkreisen aktuell rund 12.000 größere und mehrere hunderttausend kleinere Objekte mit einer Größe von mehr als einem Zentimeter die Erde. Grund genug für die NASA vor ein paar Jahren das Orbital Debris Program Office, eine Art Weltraummüll-Büro, ins Leben zu rufen, das den Weltraumschrott beobachtet.

Mittlerweile sind die Konstrukteure dazu übergegangen, Erdsatelliten mit einem eigenen Antriebssystem und genügend Treibstoff auszurüsten. Dadurch ist es möglich, die Position und die Flugbahn des Satelliten zu korrigieren und den Erdsatelliten am Ende der Nutzungsdauer in eine gut 36.000 von der Erde entfernte Umlaufbahn zu befördern. In dieser Höhe befinden sich die bereits erwähnten Friedhofsbahnen. In einer Höhe von 36.000 Kilometern und mehr über der Erde ist die Atmosphäre so dünn, das Satelliten kaum noch durch Gasmoleküle gebremst werden und für mehrere Jahrhunderte in der Umlaufbahn verbleiben ohne auf die Erde zu stürzen.

Die Idee, ausgediente Satelliten und anderen Weltraumschrott mit riesigen Netzen einzufangen, wurde bis heute nicht umgesetzt. Ein anderer Ansatz sieht vor, Satelliten mit Segeln oder aufblasbaren Ballons auszustatten, die den Satelliten stark abbremsen und einen kontrollierten Absturz zum Beispiel in den Pazifik ermöglichen sollen.

Wer befördert Satelliten ins All?

In den ersten rund 10 Jahren waren nur die US-amerikanische NASA und die russische Raumfahrtbehörde in der Lage, Satelliten ins All zu transportieren. Mitte der 1960er Jahre erfolgte dann der erste erfolgreiche Satellitenstart der Franzosen und ab Anfang der 1970er Jahre gelang es auch Japan und China, Satelliten in einer Erdumlaufbahn auszusetzen. Andere Staaten mussten zu dieser Zeit noch die Angebote der Amerikaner und Russen nutzen, wenn sie eigene Satelliten ins All transportieren wollten.

Das erste privatwirtschaftliche Unternehmen, das Raketen für den Satellitentransport entwickelte und noch bis heute betreibt, war die 1980 gegründete Arianespace mit Sitz in Frankreich. Das Unternehmen entwickelt und betreibt die Raketen der Ariane-Familie, die unter anderem von der 1975 gegründeten europäischen Raumfahrtagentur ESA genutzt werden. Die ESA ist eine Vereinigung von aktuell 22 europäischen Staaten und Kooperationspartnern wie Kanada. Die ESA befasst sich hauptsächlich mit Forschungsaufgaben.

Nach dem Zusammenbruch der Sowjetunion Anfang der 1990er Jahre wurde die sowjetische Raumfahrt in der Zeit von 1994 bis 1997 schrittweise privatisiert und ist heute in der Hand privater Investoren. Vom russischen Raumfahrtbahnhof Baikonur erfolgen unter anderem Versorgungsflüge zur ISS und Satellitenstarts mit Sojus- und Proton-Raketen.

In den USA ermöglichten Präsident Ronald Reagan Mitte der 1980er Jahr und Präsident George H. W. Bush 1990 durch die Unterzeichnung neuer Gesetze eine Aufweichung des Raumfahrtmonopols der NASA. Seit Mitte der 1990er Jahre versuchen daher zunehmend andere Unternehmen, große Konzerne wie private Investoren, sich am Geschäft mit der Raumfahrt, sowohl bemannt als auch unbemannt, zu beteiligen. Die bekanntesten Beispiele sind Virgin Galactic des britischen Multimilliardärs Richard Branson, der Satelliten in der Luft von einem Jumbo starten lassen will. Und SpaceX, ein Unternehmen des amerikanischen PayPal-Gründers und Tesla-Eigentümers Elon Musk aus dem Jahr 2002. Er feierte dieses Jahr bereits einen großen Erfolg als erstmals eine recycelte Rakete von SpaceX heil zur Erde zurückkehrte.

In den vergangenen Jahren haben neben China und Japan noch andere Staaten, zum Beispiel Indien, Neuseeland und Brasilien eigene Raketen- und Satellitenprogramme ins Leben gerufen oder angekündigt, dies in näherer Zukunft zu tun.

Einen ganz neuen Weg haben Moskauer Studenten bei der Entwicklung des Mikrosatelliten Mayak eingeschlagen. Das Projekt wurde vollständig durch Crowdfunding finanziert. Mayak wird, mit reflektierenden Segeln ausgestattet, kurzfristig das zweithellste Objekt am Himmel über der Erde sein. Mit dem kleinen Satelliten soll erprobt werden, wie ausgediente Satelliten zukünftig wieder zurück auf die Erde gebracht werden können.

Sie sehen, was vor 60 Jahren mit einem kleinen Ball begonnen hat, ist heute ein unverzichtbarer Teil unseres Alltags. Künstliche Erdsatelliten folgen lautlos und von den meisten Menschen unbemerkt ihren Bahnen um die Erde. Sie sammeln Daten für die Wetter- und Klimavorhersagen, übermitteln Nachrichten und Fernsehprogramme oder orten Bodenschätze und Urwaldbrände. Moderne Satelliten sind leistungsfähige und hoch komplexe technische Systeme, die mit den ersten Satelliten kaum noch zu vergleichen sind. Und wahrscheinlich werden künstliche Erdsatelliten auch in den kommenden 60 Jahren und darüber hinaus Teil unseres Lebens sein.