Weltraummüll zerfrisst die Ozonschicht der Erde

Tausende Satelliten wurden in „Superkonstellationen“ eingesetzt, um den wachsenden Bedarf an Internetdiensten auf der ganzen Welt zu decken, und der Start weiterer Satelliten ist in Kürze geplant. Diese kompakten Satelliten haben jedoch eine kurze Lebensdauer und stoßen bekanntermaßen Schadstoffe aus, die die Ozonschicht schädigen können, wenn sie beim Wiedereintritt in die Atmosphäre zusammenbrechen. Eine kürzlich in der Zeitschrift Geophysical Research Letters veröffentlichte Studie ermittelte erstmals das Ausmaß dieser Verschmutzung. Bildnachweis: SpaceX/public domain

Wenn die Satelliten, die Internetdienste bereitstellen – die derzeit zu Tausenden gestartet werden – das Ende ihrer Lebensdauer erreichen, werden die Überreste der Verbrennung in der Erdatmosphäre chemische Reaktionen in Gang setzen, die zum Abbau des stratosphärischen Ozons führen.

Wenn alte Satelliten wieder in die Erdatmosphäre eindringen und zerfallen, setzen sie winzige Aluminiumoxidpartikel frei, die die Ozonschicht der Erde zerstören. Eine aktuelle Studie ergab, dass sich die Präsenz dieser Partikel von 2016 bis 2022 verachtfacht hat und mit der zunehmenden Zahl von Satelliten in erdnahen Umlaufbahnen voraussichtlich weiter zunehmen wird.

Das Montrealer Protokoll von 1987 regulierte erfolgreich ozonschädigende FCKW zum Schutz der Ozonschicht und verringerte so das Ozonloch über der Antarktis Erwartete Erholung In den nächsten fünfzig Jahren. Allerdings könnte ein unerwarteter Anstieg der Aluminiumoxide den Fortschritt bei der Ozonwiederherstellung in den kommenden Jahrzehnten behindern.

Untergeordnet 8100 Objekte In der erdnahen Umlaufbahn wurden in den letzten Jahren 6.000 Starlink-Satelliten gestartet. Der Bedarf an globaler Internetabdeckung führt zu einem rasanten Anstieg des Starts von Schwärmen kleiner Kommunikationssatelliten. SpaceX Es ist der Spitzenreiter in diesem Projekt und hat die Erlaubnis, weitere 12.000 Starlink-Satelliten zu starten, und bis zu 42.000 sind geplant. Amazonas Auch andere Unternehmen auf der ganzen Welt planen Konstellationen von 3.000 bis 13.000 Satelliten, so die Studienautoren.

Internetsatelliten in einer niedrigen Erdumlaufbahn sind von kurzer Dauer, etwa fünf Jahre. Unternehmen müssen dann Ersatzsatelliten starten, um den Internetdienst aufrechtzuerhalten, und setzen damit einen Kreislauf aus geplanter Obsoleszenz und ungeplanter Umweltverschmutzung fort.

Aluminiumoxide lösen chemische Reaktionen aus, die das stratosphärische Ozon zerstören, das die Erde vor schädlicher ultravioletter Strahlung schützt. Die Oxide reagieren nicht chemisch mit Ozonmolekülen, sondern lösen zerstörerische Reaktionen zwischen Ozon und Chlor aus, die zum Ozonabbau führen. Da Aluminiumoxide bei diesen chemischen Reaktionen nicht verbraucht werden, können sie auf ihrem Weg durch die Stratosphäre jahrzehntelang weiterhin Ozonmoleküle für Moleküle zerstören.

Allerdings wurde den Schadstoffen, die entstehen, wenn Satelliten in die obere Atmosphäre fallen und dort verglühen, wenig Beachtung geschenkt. Frühere Studien zur Satellitenkontamination konzentrierten sich weitgehend auf die Folgen des Transports einer Trägerrakete in den Weltraum, beispielsweise die Freisetzung von Raketentreibstoff. Die neue Studie, die von einem Forschungsteam der Viterbi School of Engineering der University of Southern California durchgeführt wurde, sei die erste realistische Schätzung des Ausmaßes dieser langfristigen Verschmutzung in der oberen Atmosphäre, sagten die Forscher.

„Erst in den letzten Jahren begannen die Menschen zu glauben, dass dies ein Problem werden könnte“, sagte Joseph Wang, Astronautikforscher an der University of Southern California und korrespondierender Autor der neuen Studie. „Wir waren eines der ersten Teams, das die Auswirkungen dieser Tatsachen berücksichtigt hat.“

Die Studie wurde im Open-Access-Journal AGU veröffentlicht Geophysikalische Forschungsbriefedas kurze, wirkungsvolle Berichte mit unmittelbaren Auswirkungen auf alle Erd- und Weltraumwissenschaften veröffentlicht.

Bedrohlicher Schlaf

Da es praktisch unmöglich ist, Daten von einem brennenden Raumschiff zu sammeln, wurden in früheren Studien Mikrometeoritenanalysen verwendet, um eine mögliche Kontamination abzuschätzen. Aber Mikrometeoriten enthalten sehr wenig Aluminium, ein Metall, das 15 bis 40 % der Masse der meisten Satelliten ausmacht, sodass diese Schätzungen nicht gut auf die neuen „Schwarm“-Satelliten zutreffen.

Um ein genaueres Bild der Verschmutzung durch Satellitenemissionen zu erhalten, modellierten die Forscher die chemische Zusammensetzung und Bindungen innerhalb der Satellitenmaterialien, während sie auf molekularer und atomarer Ebene interagieren. Die Ergebnisse gaben den Forschern ein Verständnis dafür, wie sich Materie bei unterschiedlichem Energieeintrag verändert.

Die Forscher fanden heraus, dass der Wiedereintritt von Satelliten im Jahr 2022 die Menge an Aluminium in der Atmosphäre um 29,5 % über den normalen Wert erhöhte. Modellierungen zeigten, dass ein typischer 250 kg (550 lb) schwerer Satellit mit 30 % seiner Masse aus Aluminium während seines Wiedereintrittsabstiegs etwa 30 kg (66 lb) Aluminiumoxid-Nanopartikel (1–100 Nanometer groß) erzeugen würde. Die meisten dieser Partikel entstehen in der Mesosphäre, 50–85 Kilometer (30–50 Meilen) über der Erdoberfläche.

Anschließend errechnete das Team, dass es je nach Partikelgröße bis zu 30 Jahre dauern würde, bis Aluminiumoxide in stratosphärische Höhen gelangen, wo sich 90 % des bodennahen Ozons befinden.

Forscher schätzen, dass bis zur Fertigstellung der derzeit geplanten Satellitenkonstellationen jedes Jahr 912 Tonnen Aluminium (1.005 US-Tonnen) auf die Erde fallen werden. Dadurch würden jährlich etwa 360 Tonnen (397 US-Tonnen) Aluminiumoxide in die Atmosphäre gelangen, was einem Anstieg von 646 % gegenüber dem natürlichen Niveau entspricht.

Referenz: „Potenzieller Ozonabbau aufgrund des Untergangs von Satelliten während des Wiedereintritts in die Atmosphäre im Zeitalter massiver Konstellationen“ von Jose P. Ferreira, Ziyu Huang, Ken-ichi Nomura und Joseph Wang, 11. Juni 2024, Geophysikalische Forschungsbriefe.
doi: 10.1029/2024GL109280

Diese Arbeit wurde gefördert durch NASA.