Gefährdet Starlink Astronomie und Raumfahrt?

Der Blick ans Firmament weit abseits großer Städte: Am pechschwarzen Himmel ruhen scheinbar unzählige winzige Lichtpunkte. Der Schimmer der Milchstraße weicht das harte Schwarz des Nachthimmels auf. Leises Ahnen von unendlicher Weite, von Ewigkeit. Dann wird die scheinbar feste Weltordnung durchbrochen. Ein neuer Lichtpunkt taucht auf: Er bewegt sich, wird heller, verblasst langsam, verschwindet ganz. Kein Meteor, seine Bahn zieht er viel gemächlicher, folgt einem Großkreis am Himmelsgewölbe. Ein Satellit, Inbegriff des technologischen Fortschritts moderner Zivilisation. Einer von über 2200 aktiven Satelliten, die – meist unbehelligt vom menschlichen Auge – im Erdorbit ihre Kreise ziehen. Zwischen 300 und 36000 Kilometern über der Erdoberfläche dienen sie pausenlos der Navigation, der Kommunikation, der Erdbeobachtung, dem Militär.

Bald schon könnten es noch einmal deutlich mehr sein. In der emporstrebenden privatfinanzierten Raumfahrtbranche sieht man im nicht-stationären erdnahen Satellitenorbit eine lukrative Marktnische. Multi-Satellitennetzwerke in diesen Umlaufbahnen könnten künftig die gesamte Weltbevölkerung mit Breitbandinternet versorgen. Dazu wollen Weltraumunternehmen wie SpaceX mit seinem Starlink-Netzwerk, OneWeb aus London oder das von Amazon finanzierte Kuiper-Projekt weit über 20000 Klein-Satelliten ins All schießen. Durch sie soll auch in den abgelegensten Teilen der Welt permanent Breitband-Internet verfügbar werden. Das von Elon Musk und Gwynne Shotwell geführte Unternehmen hat bereits den Anfang gemacht. Ende 2020 soll das erste Set mit 1500 Starlink-Satelliten Menschen auf dem gesamten Globus miteinander verbinden.

Über die Hälfte der Weltbevölkerung ohne Internet

Laut einem Bericht der UNESCO aus dem Jahr 2015 ist der Breitbandausbau global deutlich zurückgegangen. Die Lücke zwischen Menschen online und offline ist demnach groß, rund 57 Prozent der Weltbevölkerung haben der Studie zufolge noch keinen Internetzugang. Während der Netzausbau in Industrieländern quasi als abgeschlossen gilt, fehlt für 35 Prozent der Bevölkerung in Schwellen- und Entwicklungsländern noch jeglicher Netzzugang, in den 48 von den UN als am wenigsten entwickelten eingestuften Ländern sind es sogar 90 Prozent. Vor allem in ländlichen Regionen solle daher Breitband-Zugang ermöglicht werden.

Während die Entwicklungen hin zum Highspeed-Internet aus dem All der Space-affinen Fachwelt nicht entgangen sind, schien für die Allgemeinheit ein solches Konzept noch in weiter Ferne. Als SpaceX im Mai 2019 das erste Paket von 60 Starlink-Satelliten in den Orbit schoss (zwei hatte das Unternehmen bereits im Vorjahr zu Testzwecken gestartet), rief das Amateur- wie Profiastronomen auf den Plan. Laut der zuständigen US-Regulierungsbehörde, der Federal Communications Commission, die die damals neusten Pläne von SpaceX erst im April 2019 veröffentlichte, sollen am Ende 1600 Satelliten auf 550 Kilometer hohen Bahnen kreisen, 2800 Satelliten in 1160 Kilometern Höhe und weitere 7500 Satelliten in nur 340 Kilometern. Mitte der 2020er Jahre sollen dann diese insgesamt rund 12000 Satelliten im Orbit sein.

In den Tagen nach dem Start waren die Satelliten als leuchtende Perlenkette am Abend- oder Morgenhimmel selbst mit bloßem Auge zu sehen. Angekommen in einem höheren Orbit hinterlassen sie vor allem in Himmelsaufnahmen ihre Spuren. Im November ging der zweite Schwung von 60 Starlinksatelliten ins All, ein weiterer soll kurz nach Silvester folgen. Das ist aber erst der Anfang.

Starlink am Nachthimmel

Insbesondere verschiedene Verbände von Profi- wie Amateurastronomen haben inzwischen ihre Sorge zu Starlink ausgedrückt. Sie befürchten, die Vielzahl an neuen Satelliten könne ihre Beobachtungen vor allem im optischen und infraroten Bereich direkt beinträchtigen. Radioastronomen mahnen zudem, dass Radiosignale in bestimmten Frequenzbändern gestört werden könnten. Für sie ist das Problem allerdings nicht ganz neu, und sie setzen sich bereits seit langem dafür ein, dass neue Entwicklungen in der Kommunikationstechnologie voranschreiten können, ohne jedoch die Radioastronomie zu gefährden. Denn hier stört mehr noch als ein Satellit als zusätzliches künstliches Objekt am Himmel die Kommunikation an sich, die in Frequenzbereichen abläuft, in denen auch Radiobeobachtungen stattfinden, und diese so beeinträchtigt. Das National Radio Astronomy Observatory (NRAO) und das Green Bank Observatory in den USA stehen auch im Fall von Starlink in direktem Austausch mit SpaceX. Bei SpaceX würde man ihre Bedenken ernst nehmen und die Radioastronomie unterstützen, heißt es in einer Stellungnahme des NRAO. Ein Vorschlag seitens der Radioastronomen sei etwa, die Satelliten in der Umgebung über Observatoriumsstandorten abzuschalten.

Astronomen, die im Optischen oder Infraroten beobachten, sind mit der Situation hingegen im Grunde ziemlich unvorbereitet konfrontiert worden. „Wir wissen eigentlich gar nicht so genau, was das für die Astronomie bedeuten wird“, sagte Bruno Leibundgut von der Europäischen Südsternwarte (ESO) kurz nach dem Start der ersten 60 Starlink-Satelliten im Mai 2019. Generell sind offenbar nicht alle astronomischen Beobachtungen gleichermaßen betroffen: „Die meisten Teleskope haben ein verhältnismäßig kleines Gesichtsfeld, so dass sie nicht zu häufig von Starlink-Satelliten durchkreuzt werden sollten“, erläutert er. „Daher dürften vor allem die großen Surveys davon betroffen sein, die größere Himmelsausschnitte beobachten.“ Dass sich die Satellitenspuren künftig in Aufnahmen etwa des Large Synoptic Survey Telescope herausrechnen lassen sollten, hält Leibundgut mittlerweile für fraglich. (Anm. d. Redaktion: In der ursprünglichen Version stand, dass sich Satellitenspuren im Prinzip aus den Aufnahmen herausrechnen lassen sollten. Die aktuellsten Erkenntnisse sind aber andere.) „Aber der Nachthimmel wird sich verändern. – SpaceX schafft hier Fakten in einem rechtsfreien Raum“, fügt Leibundgut hinzu.

Detlef Koschny von der Europäischen Raumfahrtagentur sucht auch privat mit seinem eigenen Teleskop nach Asteroiden. „Es heißt ja, man würde die Starlink-Satelliten nur in der Dämmerung sehen. Aber je weiter entfernt man vom Äquator beobachtet, etwa hier bei uns in Holland, da wird es im Sommer auch tief nachts gar nicht mehr so richtig dunkel“, erläutert Koschny. „Da steht die Sonne auch um Mitternacht gar nicht so weit unter dem Horizont. Man würde die Satelliten möglicherweise im Sommer die ganze Nacht über sehen können.“

In den automatisierten Aufnahmen erschienen die Satelliten dann wie Striche, ähnlich wie die Asteroiden. Wenn man die Daten dann mit Augen begutachtet, kann man dabei leicht einmal einen Asteroiden übersehen. Und auch die Auswertungssoftware funktioniert dann vielleicht nicht so gut, auch wenn man die Strichspuren der Satelliten herausrechnen könne.

Mittlerweile analysieren Astronomen der American Astronomical Society, der IAU und der ESO in Simulationen, welche Auswirkungen Musks Megakonstellation tatsächlich auf optische und Infrarotbeobachtungen haben wird. Die Daten dazu sollen in Kürze veröffentlicht werden.

Was denken Astronomen über Starlink? Lässt sich unter tausenden Satelliten weiter Astronomie treiben? In unserem ergänzenden Podcast von Karl Urban zu diesem Artikel kommen zwei prominente Astronomen zu Wort.

Wie sich das künftig tatsächlich auswirken wird, ist noch völlig ungewiss, das gibt auch SpaceX zu: Die eigenen Ingenieure hätten astronomische Probleme bei der Konzeption des Satellitenschwarms nicht vorhergesehen, gab die Firmenpräsidentin Gwynne Shotwell während einer Pressekonferenz am 6. Dezember 2019 zu.

Thomas Eversberg, der am Weltraumlagezentrum des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) arbeitet und selbst Amateurastronom ist, hat weniger Bedenken wegen der Sichtbarkeit. Jene Satelliten in den niedrigsten Umlaufbahnen sähe man nur an den dunkelsten Orten, die in höheren Orbits gar nicht. Für Astrofotografen könne es hingegen abhängig vom Gesichtsfeld störend sein. Außerdem bezweifelt er, dass das Projekt Starklink überhaupt in dem geplanten Umfang aus technischer und administrativer Sicht realisierbar sei.

Eine Studie der regierungsunabhängigen US-Organisation Aerospace hat Machbarkeit und Risiken für Betreiber und Investoren von Megasatellitenkonstellationen untersucht; demnach könnte es etwa an ausreichenden Startmöglichkeiten fehlen.

SpaceX unter Druck

In den USA muss der Betrieb sämtlicher Kommunikationssatelliten (Frequenzen und Orbits) durch die Federal Communications Commission (FCC) und die internationale Fernmeldeunion zugelassen werden. Vom Zeitpunkt der Zulassung an muss der Betreiber nach sechs Jahren 50 Prozent der beantragten Satelliten arbeitsfähig im Orbit haben, nach insgesamt neun Jahren müssen es alle sein. Diese Regelung soll verhindern, dass einzelne Betreiber Frequenzen und Orbits blockieren, ohne überhaupt zu liefern, und so ihre Konkurrenz ausschalten. Werden die Vorgaben nicht eingehalten, gilt die Lizenz nur für die nach sechs beziehungsweise neun Jahren bereits im Orbit arbeitenden Satelliten.

Durch diese Zeitvorgabe ist SpaceX nun unter Druck. Mittlerweile hat die FCC für insgesamt über 20000 Satelliten die Genehmigungen erteilt, allein ~12000 davon gehören der Starlink-Serie von SpaceX an. Für 30000 weitere hat SpaceX die Zulassung beantragt. In den nächsten fünf Jahren müsste Musk demnach mindestens 20 Raketen pro Jahr mit jeweils 60 Satelliten ins All schießen. Das liegt knapp an seiner bisherigen Maximalkapazität von 21 Starts pro Jahr (2018). In den darauffolgenden Jahren müsste SpaceX die Startfrequenz noch entsprechend erhöhen, um auch der 9-Jahresregelung zu genügen. Dabei ist mit einer gewissen Ausfallrate durch technisches Versagen oder auch nicht ausreichende Startfenster etwa wegen schlechten Wetters zu rechnen. Hinzu kommen Ausfallraten bei den Satelliten selbst.

Weltraumschrott

Für Eversberg ist das eigentliche Problem von Megakonstellationen wie Starlink oder OneWeb aber die Gefahr des zusätzlichen Weltraumschrotts. Arbeitet einer der Satelliten fehlerhaft oder fällt komplett aus, fliegt er unkontrolliert durch den Raum und gefährdet die übrigen Satelliten. Eine Kollision mit einem anderen Objekt zerstört nicht nur einen weiteren Satelliten, sondern produziert ihrerseits Unmengen unkontrolliert durch den Orbit fliegender Geschosse. Das kann bereits bei der aktuellen, noch „verhältnismäßig geringen“ Anzahl an Satelliten im niedrigen bis mittleren Erdorbit ein Problem werden. So produzierte etwa die Kollision zwischen den Kommunikationssatelliten Iridium 33 und Cosmos 2251 im Februar 2009 über 2200 Trümmerteile, die sich von der Erde aus verfolgen ließen. Hinzukommen einige zigtausend* weitere, die kleiner als zehn Zentimeter sind und sich nicht mit irdischen Radarsystemen auflösen lassen. Solche unkontrollierten Geschosse im Erdorbit gefährden andere Satelliten und die Internationale Raumstation. *(korr.: in einer früheren Version stand hier „hunderte“.)

Um das Risiko solcher Zwischenfälle gering zu halten, hat das Inter-Agency Space Debris Coordination Committee (IADC), in dem 13 Raumfahrtagenturen organisiert sind, Richtlinien zum Umgang mit Weltraumschrott aufgestellt, die in den „Space Debris Mitigation Guidelines“ des UN Komitee für den friedlichen Nutzen des Erdnahen Weltraums (UNCOPUOS) verankert sind. Darin werden Raumfahrtunternehmen etwa dazu angehalten, Satellitenmissionen so zu planen, dass diese sehr zuverlässig arbeiten und während des Nominalbetriebs möglichst keinen Weltraumschrott produzieren. Um einwandfreie Funktion zu gewährleisten, ist außerdem die Aufenthaltsdauer auf 25 Jahre nach Betriebsende begrenzt. Nach Missionsende hat der Betreiber für die Entsorgung aufzukommen und die ausgedienten Satelliten in einen niedrigeren Orbit zu überführen, so dass sie später in der Erdatmosphäre verglühen.

Laut Aussage des Weltraumlagezentrums werden bisher nur 30 bis 40 Prozent der sich im Orbit befindenden ausgedienten Satelliten gemäß den Richtlinien entsorgt. Um die Gefahr für andere Satelliten zu minimieren und den Orbit dauerhaft für eine sinnvolle Nutzung zu erhalten, sollten es aber mindestens 90 bis 95 Prozent sein. Während Satelliten von Einzelmissionen zudem sehr sorgefältig geplant und produziert werden, werden Satelliten von Megakonstellationen in Massenproduktion gefertigt und von vornherein redundant ausgelegt. Man nimmt also per se eine gewisse Ausschussrate und damit zusätzlichen Weltraumschrott in Kauf. Verschiedene Studien haben gezeigt, dass bei Megakonstellationen wie One Web oder SpaceX sie planen, sich nach einer gewissen Betriebszeit die Satelliten selbst untereinander in die Quere kommen können, wenn einzelne von ihnen nicht mehr richtig funktionieren. Beträchtlich viele Ausweichmanöver würden notwendig, um die Konstellation an sich nicht zu gefährden. Bei der IADC diskutiert man derweil, die Richtlinien zu verschärfen, um sie den künftigen Gegebenheiten von Megakonstellationen anzupassen. Ein Vorschlag ist etwa, die Aufenthaltsdauer von ausgedienten Satelliten im Orbit zu verkürzen.

SpaceX kündigte an, die (aktuell gültigen) Regeln für Starlink zu befolgen. Auch Satelliten auf Bahnen um 1140 Kilometer, die nicht mehr von der Restatmosphäre abgebremst und zum Verglühen gebracht werden können, sollen vor Ende ihrer Lebenszeit auf tiefere Bahnen verlegt werden. Doch der Betrieb tausender Satelliten birgt noch weitere neue Risiken: Weil das Steuern der einzelnen Satelliten zu teuer wäre, können die Starlink-Satelliten autonome Entscheidungen treffen. Dazu soll laut SpaceX auch die Entscheidung gehören, einem kreuzenden Satelliten auszuweichen.

Die mittels künstlicher Intelligenz an Bord funktionierende Autonomie muss sich allerdings noch bewähren, was ein Beispiel eindrücklich zeigt: Ende August 2019 befürchteten Ingenieure der ESA, dass ihr Erdbeobachtungssatellit Aeolus in wenigen Tagen mit Starlink44 zusammenstoßen könnte. Nach einem ersten Kontakt zu SpaceX reagierte das Unternehmen nicht mehr – auch als die ESA ankündigte, mit Aeolus auszuweichen, was der ESA-Satellit am 2. September auch tat. Es ging alles gut – doch ein autonomes Ausweichmanöver des Starlink-Satelliten in die gleiche Richtung hätte womöglich erst eine Kollision hervorrufen können. Verbindliche Ausweichregeln wie in der Luftfahrt gibt es im All bis heute nicht.

Nächster Start im Neuen Jahr

Die nächsten 60 Satelliten will SpaceX am 4. Januar 2020 (verschoben von Silvester 2019) ins All schicken. Dabei will das Unternehmen auch an einem Satelliten eine spezielle Außenbeschichtung testen, die das Sonnenlicht nicht so stark reflektiert und dadurch die Satelliten quasi „unsichtbar“ macht. Die Zusammenarbeit zwischen Astronomen und dem Unternehmen scheint also erste Früchte zu tragen. Was den Satelliten dunkler erscheinen lässt, könnte allerdings auch dazu beitragen, dass er überhitzt, weil die Sonnenstrahlung nicht mehr so gut abgeschirmt wird. Es wird sich also noch zeigen, wie gut es technisch realisierbar sein wird, den Forderungen der Astronomen nachzukommen, und ob auch andere Unternehmen bei ihren Projekten entsprechend nachziehen werden.

Für die Zukunft wäre es also angeraten, sich vorab zusammenzusetzen und die Folgen derart einschlägiger Projekte unter allen Beteiligten zu klären, damit keine Seite das Nachsehen hat.

(aktualisiert am 27.12.2019)

Das Thema „Starlink“ ist keineswegs abgeschlossen und wird Die Weltraumreporter weiter beschäftigen. Fragen, die wir uns dabei stellen, sind etwa: Wie lässt sich eine solche Megakonstellation finanzieren, und wie wirtschaftlich ist das Highspeed-Internet aus dem All? Und wie ausgereift ist eigentlich die Technologie für die Verbindung zwischen All und Erde? Denn auch hierfür braucht es spezielle Bodenstationen.

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