Der erdnahe Weltraum spielt für das Leben auf der Erde, beispielsweise für die Bereiche Wirtschaft, Politik, Verteidigung und Sicherheit, eine entscheidende Rolle. Die Gefahren, denen Satelliten auf ihrer Umlaufbahn ausgesetzt sind, müssen daher erkannt und eingestuft werden können; darüber hinaus gilt es, die nötigen Technologien zur Einschränkung dieser Bedrohungen zu entwickeln. Astrium hat diesen Bedarf erkannt und trifft entsprechende Vorbereitungen.

Im Jahr 2008 startete Astrium Space Transportation auf eigene Rechnung das F&T-Programm „Space Police“ und leistet damit seinen Beitrag zur weit umfassenderen Strategie „SiS“ (Security in Space) von Astrium, in dessen Rahmen sich das Unternehmen nicht nur für die Weltraumüberwachung einsetzt, sondern auf lange Sicht auch für das kontrollierte „De-Orbiting“ (Entfernung von Objekten aus ihrer Umlaufbahn) von Weltraumschrott jeder Größe, dessen Beseitigung durch Laser- und Abfangsysteme sowie im Notfall die schnelle Bereitstellung von Abwehrmechanismen zum Schutz militärischer Satelliten.

Space Police befasst sich in Vorbereitung auf Europas zweiphasiges ESA-Programm SSA (Space Situational Awareness; dt.: Lageerfassung im Weltraum) mit der Überwachung von Weltraumschrott. Im Rahmen von SSA sollen jedoch nicht nur Weltraum, erdnaher Weltraumschrott und andere erdumlaufende Objekte überwacht werden, sondern auch das Weltraumwetter und Satelliten von Drittstaaten.

„Als Raumfahrt-Dienstleister und Hersteller von Trägerraketen und Satelliten beschäftigt sich Astrium seit langer Zeit mit dem ‚Problemmüll‘ im Weltall und der Frage, wie dieser begrenzt werden kann“, erläutert Sophie Vial, SSA-Programmleiterin bei Astrium Space Transportation. „Darüber hinaus verfügen wir über Kompetenzen, die bei der Lösung dieses Problems hilfreich sein können.“

Die Lösung liegt in der Optik

Im Mai 2008 fiel der Startschuss für den ersten der zwei Programmabschnitte von Space Police, die sich beide der bodengestützten optischen Weltraumbeobachtung widmen. Diese wird als Ergänzung zur Radartechnik benötigt, die aufgrund ihrer Reichweite von 1.000 km nur für den erdnahen Orbit (LEO, Low Earth Orbit) eingesetzt werden kann. Im Mittelpunkt des ersten Abschnitts stand die Entwicklung von Algorithmen: Mit ihrer Hilfe sollten die bei der Weltraumbeobachtung erfassten Bilder bearbeitet werden, um die einzelnen Objekte aufzuspüren und die Ausbreitung des Schrotts auf den Umlaufbahnen zu verfolgen. Darüber hinaus wurden Objekte im Orbit simuliert und damit Bildbearbeitungsmethoden auf ihre Eignung zur Objekterfassung und -verfolgung geprüft. Durch den Einsatz von Technologiedemonstratoren sollen diese Gedankenmodelle und Softwarekonzepte im zweiten Programmabschnitt auf die Probe gestellt werden.

Einer dieser Demonstratoren wird seit Mai 2008 im Astrium-Standort Les Mureaux in der Nähe von Paris eingesetzt: Das auf den Namen D2R2 getaufte Teleskop mit einer geringen Apertur von unter 1° wurde auf die hochpräzise Verfolgung von Objekten im Weltall ausgelegt und vergrößert so den Wissenstand über Materie auf der Umlaufbahn. „Dieses Teleskop erfasst und datiert Aufnahmen eines Objekts, auf denen auch die Sternenkonstellationen zu sehen sind. Da uns der Beobachtungswinkel von D2R2 bekannt ist, können wir die Konstellation ermitteln, die Position des Objekts im Weltraum sehr präzise bestimmen und so auf dessen Umlaufbahn schließen. Im mittleren und erdnahen Orbit ist es uns bereits gelungen, verschiedene Umlaufbahnen sehr genau zu berechnen“, führt Vial weiter aus.

Laut Vial sind die Ergebnisse von D2R2 zwar sehr zufriedenstellend, doch da ein Teleskop dieser Bauart nur bereits erfasste Objekte verfolgen kann, nahm mit (Moyen Expérimental D’Observation du Ciel; dt.: Weltraumbeobachtungsinstrument) im Juni ein weiteres Teleskop seinen Betrieb auf. Mit seiner im Vergleich zu D2R2 größeren Apertur von 4° scannt MEDOC von seinem Standort in Aquitaine aus den Himmel auf der Suche nach Materie ab und erfasst je Aufnahmewinkel mehrere Bilder, durch die Leuchtpunkte in den Tiefen des Weltalls ausfindig gemacht werden können. Mithilfe eines Algorithmus werden die Koordinaten dieser Punkte anschließend auf jedem einzelnen Bild berechnet, miteinander verbunden und so die Objektumlaufbahnen bestimmt.

„Keiner dieser Demonstratoren ist als komplett betriebsbereites System konzipiert, uns geht es vielmehr um die Untersuchung verschiedener Konzepte. Jedoch haben wir Neues über die Bildbearbeitung an sich und ihre Abläufe gelernt und dadurch unseren Erfahrungsschatz vergrößert, sodass wir nun an den nächsten Schritt denken können“, so Vial.

„Die Beobachtung mittels optischer Instrumente hängt zwar von den Witterungsbedingungen ab, jedoch kann dieses Problem durch den Aufbau eines weltweiten Netzes umgangen werden. Zur Bestimmung des erforderlichen Umfangs eines solchen Netzes haben wir bereits entsprechende Tools entwickelt“, erläutert Vial.

Europas Programm für die Weltraumbeobachtung

Mit vereinten Kräften stellen sich die Geschäftsbereiche Astrium Space Transportation und Astrium Satellites nun der Herausforderung, den Aufbau eines Beobachtungssystems zu entwerfen, das sowohl ein Radarsystem für den erdnahen Orbit als auch optische Instrumente für höher gelegene Umlaufbahnen verwendet. Dieses System wird dann an Datenzentren angebunden, für die Astrium Space Transportation am Standort Bremen in Anlehnung an sein Modellzentrum Asteria eine serviceorientiere Auslegung erarbeitet hat. Dank dieser Auslegung lassen sich Daten bearbeiten, die von verschiedenen, infolge ihres Aufbaus oft nicht miteinander kompatiblen Systemen erfasst wurden. So ist es nicht nur möglich, eine Vielzahl unterschiedlicher Quellen zu verbinden – wie Kataloge für Bahnparameter, von Teleskopen oder über andere Systeme gesteuerten Radaren gesammelte Daten –, sondern durch die Einbindung verschiedener Softwaremodule zur Datenbearbeitung auch neue Dienstleistungen anzubieten. Darüber hinaus gewährleistet diese serviceorientierte Auslegung, dass die zwischen den verschiedenen zivilen und militärischen Nutzern in Europa ausgetauschten Daten vertraulich bleiben.

In dieser Vorlaufphase des SSA-Programms wird zunächst lediglich das Terrain sondiert, die Entwicklung eines voll einsatzbereiten Systems ist nicht vorgesehen. Vial hierzu: „Ob ein solches System entwickelt wird, hängt größtenteils von der Höhe der Fördergelder ab, die bei der nächsten ESA-Ministerkonferenz Ende 2012 festgelegt werden, bzw. von der zu erwartenden finanziellen Unterstützung seitens der Europäischen Union.“

Nicht nur die ESA hegt großes Interesse an der Beobachtung des Weltalls, auch Streitkräfte und Betreiber möchten ihre Satelliten unversehrt wissen. Um besser über den Bedarf dieser Parteien im Bilde zu sein, entwickelte Astrium ein Gemeinschaftslabor für Betreiber und Technikexperten, in dem die Anforderungen an Netzleistung und Mensch-Maschine-Schnittstellen ermittelt werden. „Hier werden die Erfassung der Objekte und ihre Katalogisierung interaktiv simuliert; so können wir feststellen, welche Informationen der Kunde wann und in welchen Abständen benötigt, in welcher Form diese vorliegen sollen und wann und wie Warnmeldungen ausgegeben werden müssen“, sagt Vial.

Unterstützung durch Lasertechnik

Astrium beweist auch hier erneut seinen Weitblick und untersucht ein anderes hochpräzises Instrument zur Bahnbestimmung: den Laser. Im Jahr 2010 begann die Zusammenarbeit mit dem „Observatoire de Côte d’Azur“: Der Laser dieser Sternwarte visiert Reflektoren an, die entweder an Satelliten angebracht sind oder im Rahmen des Netzdienstes ILRS (International Laser Ranging Service) – der zur Unterstützung von Forschungsprojekten in den Bereichen Geodäsie und Astronomie ins Leben gerufen wurde – auf dem Mond installiert wurden. Nach einer Testreihe mit eher einfach zu erfassenden, da mit Reflektoren ausgestatten Zielen folgt bald eine weitere Testkampagne mit höherem Schwierigkeitsgrad, bei der mit einem leistungsfähigeren Laser Raketenoberstufen anvisiert werden. Dabei wird gemessen, wie lange die von der Oberstufe reflektieren Photonen für den Rückweg zum Teleskop benötigen; erhofftes Resultat ist die metergenaue Festlegung der Umlaufbahnen in Erdnähe.

Mit der lasergestützten Fernmessung lässt man die passive Beobachtung hinter sich. Künftig sollen mithilfe von Lasern kleinere Schrottteile im Weltraum aus ihrer Umlaufbahn geworfen werden, ein Ansatz, der auch für das von der Europäischen Kommission und EADS kofinanzierte Projekt „Clean Space“ des 7. EU-Forschungsrahmenprogramms vorgeschlagen wurde. Zu einem späteren Zeitpunkt könnte es sogar möglich sein, Satelliten auf eine andere Umlaufbahn „zu schubsen“.