Raumfahrt

Der Weltraumschrott über unseren Köpfen ist eine Gefahr. Damit der Müllberg nicht weiter anwächst, sollen Service-Roboter havarierte Satelliten künftig abschleppen –
zur Reparatur oder zum Friedhof.

Der Angreifer ist ein echtes Schwergewicht. Stolze 2426 Kilogramm bringt er auf die Waage – zumindest war das so, als Menschen ihm zum letzten Mal gefahrlos näherkommen konnten. Das ist lange her. Inzwischen ist er zur wilden Furie geworden. Er rast und taumelt und bedroht die gesamte Erde.

Der Angreifer heißt »Rosat«. Er ist ein ausgedienter Röntgensatellit, der größte jemals in Deutschland gebaute. Am 8. Dezember 1998 hat er seine letzten Bilder gesendet. Seitdem verliert der Gigant, der einst 580 Kilometer hoch über der Erde kreiste, kontinuierlich an Höhe. Das Problem: An Bord des Röntgenspähers befindet sich fast eine Tonne Glaskeramik – viel zu viel, als dass der Satellit einfach in der Atmosphäre verglühen könnte. Ein Absturz scheint unvermeidlich. »Wenn ›Rosat‹ dabei über bewohntem Gebiet herunterkommt und vielleicht sogar ein Gebäude trifft, hat die Raumfahrt ein Riesenproblem«, warnt Gerd Hirzinger, Robotikexperte am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Oberpfaffenhofen. Höchste Zeit also, den Weltraum-ADAC zu rufen.

Der allerdings kommt nicht – zumindest im Moment noch nicht. Das aber soll sich ändern: »Wir haben viel zu lange nur zugeschaut, was mit dem Schrott passiert«, sagt Gerd Hirzinger. »Jetzt müssen wir endlich lernen, von der Erde aus im Weltraum zu agieren.« In Oberpfaffenhofen, vor den Toren Münchens, arbeiten die Ingenieure daher am fliegenden Gelben Engel. Kleine Service-Roboter sollen liegen gebliebene Satelliten reparieren, wieder auf Trab bringen oder notfalls einfach an den Haken nehmen. Was das DLR bereits vorweisen kann, macht dabei einen durchaus vielversprechenden Eindruck.

Um den Einsatz ihrer Pannenhelfer zu üben, haben die DLR-Ingenieure im Keller des Deutschen Raumfahrt-Kontrollzentrums einen Teststand aufgebaut. Auf einer 25 Meter langen Schiene proben zwei Roboter den Ernstfall. Einer spielt den gestrandeten Satelliten, der zweite übernimmt die Rolle des orbitalen Abschleppdienstes. Immer wieder fahren die beiden Maschinen aufeinander zu, erkennen sich gegenseitig und simulieren die Annäherung – genau so, wie es künftig im All passieren soll.

Behutsam nähert sich der Satellit seinem Ziel. Die Bewegungen sind geschmeidig, in der Goldfolie, die die Elektronik schützt, spiegelt sich die Sonne. Das Gerät bremst ab, dreht sich leicht nach links, setzt seinen Flug fort. Millimeter für Millimeter. Auf dem Schwarzweiß-Bildschirm im Kontrollzent­rum taucht schemenhaft ein zweiter Satellit auf, der Abschleppdienst. Die Umrisse werden deutlicher, ein Triebwerk ist zu erkennen, alsbald füllt er den ganzen Monitor aus. Dann geht alles ganz schnell: Ein leichter Ruck, ein unsichtbares Zuschnappen, und der anvisierte Satellit hängt am Haken.

»Modernen Kommunikationssatelliten geht nach etwa 15 Jahren der Treibstoff aus, auch wenn sie ansonsten noch prächtig funktionieren«, sagt Florian Sellmaier, der die Satelliten-Studien in Oberpfaffenhofen koordiniert.»Ein Service-Satellit könnte die Lebenszeit solcher Systeme locker um ein Dutzend Jahre verlängern.« Die Idee: Während der große Trabant weiter Telefongespräche oder Fernsehprogramme überträgt, übernimmt der kleine Schlepper das Steuer. Er korrigiert die Bahn und stabilisiert die Lage des hochfliegenden Gespanns. Spielen beim großen Satelliten eines Tages auch die Transponder nicht mehr mit, kann der Schlepper ihn in eine noch höhere Umlaufbahn bugsieren. In diesem Friedhofsorbit kann der Havarist für alle Zeiten bleiben. Der Pannenhelfer koppelt sich ab und sucht den nächsten altersschwachen Trabanten.

Das Problem dabei: Modernen Kommunikationssatelliten fehlt ein Abschlepphaken. »So ein Griff würde vielleicht ein paar tausend Euro kosten«, sagt Gerd Hirzinger. »Aber weil bislang niemand einen Griff gebraucht hat, ist an den Satelliten natürlich auch keiner dran.« Es gibt aber eine Gemeinsamkeit, die alle Trabanten aufweisen: ihre trichterförmige Steuerdüse, der so genannte Apogäumsmotor. »Wie eine Zecke soll sich unser kleiner Satellit in dieser Düse festbeißen«, sagt Sellmaier.

Dass das gar nicht so einfach ist, zeigen die beiden Roboter auf dem Teststand in Oberpfaffenhofen. Ein Theaterscheinwerfer mit gut 20 Kilowatt Leistung simuliert dort die Sonne. Sein Licht wird von der Isolierfolie des Zielsatelliten stark reflektiert. Folglich ist das Videobild, das der anfliegende Roboter in den Leitstand sendet, deutlich überbelichtet. Ein großes Problem – allerdings keines, das die Steuersoftware durcheinanderbringen darf.

Jürgen Bosse, Geschäftsführer der Firma Robo Technology, die das Testsystem baut, klickt mit der Maus in das unscharfe Schwarzweißbild. Augenblicklich markiert der Computer das, was er für den Rand der Düse hält. Weil die Kante des Triebwerks auf der einen Seite heller schimmert als der Hintergrund, glaubt der Rechner, sein Ziel erkannt zu haben. Er setzt den Anflug fort. »Genau solche Verfahren sollen hier überprüft werden«, sagt Bosse. Durch eine Plexiglasscheibe hat er den Teststand gut im Blick. Der rote »Not-Aus«-Schalter ist immer in Griffweite.

Noch kann die Anlage lediglich den Anflug nachspielen. Schon bald soll aber auch das Andocken simuliert werden – einschließlich aller Kräfte und Drehmomente, die dabei auftreten können. »Man muss bei so etwas höllisch aufpassen«, sagt Gerd Hirzinger. Wird der Zielsatellit nur einmal leicht angestupst, kann er sofort unkont­rolliert ins Taumeln geraten. Die gesamte Mission wäre gefährdet.

Der von Hirzinger und seinem Team entwickelte Andockstutzen soll sich daher mit gehörigem Respekt in die Düse vorarbeiten. Rundum bestimmen Laser-Entfernungsmesser den Abstand zum Rand. Höchste Präzision ist gefordert: An seiner dünnsten Stelle, dort, wo der Haken des Schleppers einrasten muss, ist der Apogäumsmotor nur zwei Zentimeter breit. Rechts und links bleibt weniger als ein halber Millimeter Spielraum.

»Die meisten Menschen haben schon auf der Erde das Problem, einen Faden in ein Nadelöhr zu bekommen«, sagt Toralf Boge, einer der Entwickler des Teststands. »Wir aber wollen so etwas im Weltall versuchen – und Nadel und Faden sind bei uns bewegliche, mehrere Tonnen schwere Kolosse.« Dass solch ein Manöver überhaupt klappen kann, muss die Anlage im Keller des DLR erst noch beweisen.

Klar ist dagegen, wie eine künftige Rettungsmission ablaufen soll: Nach dem Start mit einer handelsüblichen Rakete wird der etwa eineinhalb Tonnen schwere Satellitenschlepper die Erde zunächst in geringer Höhe umkreisen. Dann zündet er sein Ionentriebwerk. Das schleudert geladene Xenon-Atome ins All und erzeugt so einen kleinen, aber permanenten Schub. Ionentriebwerke, die bislang hauptsächlich bei wissenschaftlichen Raumsonden zum Einsatz gekommen sind, werden mit Strom gespeist und sind sechsmal so effizient wie herkömmliche Antriebe. »Das hat den Vorteil, dass wir deutlich weniger Treibstoff mitnehmen müssen«, sagt Florian Sellmaier. Der Nachteil: Die Reise zu einem geostationären Satelliten in knapp 36 000 Kilometer Höhe dauert etwa 20 Wochen. Nichts für Notfälle.

Am Zielort angekommen, sucht der Schlepper mittels Radar nach seinem Opfer und dockt schließlich – wie in Oberpfaffenhofen trainiert – an den großen Satelliten an. Die Probleme sind damit aber noch lange nicht aus der Welt: Um einen Satelliten kontrolliert steuern zu können, muss der Schub stets in Richtung des Massenschwerpunkts gehen – andernfalls entstehen störende Drehmomente, der Trabant gerät ins Schleudern. Bei einem orbitalen Gespann liegt der Schwerpunkt allerdings außerhalb des Schleppers. »Das verlangt sehr trickreiche Steuermanöver«, sagt Sellmaier.

Noch schwerer wird es, wenn ein taumelnder Trabant wie »Rosat« eingefangen werden soll. Bislang war das die Spezialität von Astronauten, die mit dem Space­shuttle zum Satelliten geflogen werden mussten – ein teures und gefährliches Unterfangen. Der Shuttle wird im September allerdings zum letzten Mal starten. »Wir müssen eh davon wegkommen, alles mit Astronauten machen zu wollen«, sagt Gerd Hirzinger. Der DLR-Forscher setzt stattdessen auf einen Service-Satelliten mit einem flexiblen Roboterarm. Der soll das widerspenstige Raumfahrzeug an einer exponierten Stelle, zum Beispiel an einem Sonnensegel, packen und dann gezielt über dem Südpazifik in den Abgrund reißen.

Dass so etwas prinzipiell möglich ist, haben die Roboterforscher bereits vor 15 Jahren gezeigt. An Bord der Raumfähre »Columbia« gelang es ihnen, einen frei herumfliegenden Würfel mit einem ferngesteuerten Roboterarm zu packen – damals schon eine Art Vorbereitungsexperiment für den Weltraum-ADAC. Heute sind solche und ähnliche Kunststücke, wie Hirzinger vor wenigen Wochen demonstrieren konnte, mittels Laptop vom heimischen Sofa aus möglich.

Die deutschen Roboterforscher, deren Einfang-Projekt im März in eine 16-monatige Entwicklungsphase starten soll, sind nicht die Einzigen, die sich um den Job als Pannenhelfer bewerben. Auch China, Japan und die USA versuchen sich als Retter in der Not – zum Teil sogar mithilfe des Militärs. So schoss die Forschungsabteilung des Pentagons vor einigen Jahren zwei speziell ausgerüstete Testsatelliten ins All, die in einem erdnahen Orbit eine ganze Reihe von Service-Manövern flogen: Die Trabanten dockten automatisch an, tankten sich auf und wechselten mit ihrem Roboterarm sogar einzelne Bauteile aus. Möglich war das aber nur, weil die Satelliten extra für solche Aktionen gebaut worden waren – mit Tankstutzen, austauschbaren Modulen und Komponenten, die sich einfach herausziehen ließen. »In der Praxis kann man so etwas allerdings erst mit der nächsten Generation von Satelliten machen, also in frühestens 20 Jahren«, sagt Florian Sellmaier.

So lange wollen die DLR-Ingenieure nicht warten. Die Forscher hoffen, in drei bis vier Jahren ihre Manöver erstmals auch im Weltraum fliegen zu können – vielleicht gerade noch rechtzeitig, um »Rosat« in geordnete Bahnen zu lenken und das Schlimmste zu verhindern. Bis es so weit ist, müssen sie im Keller des Kontrollzentrums aber noch ein ums andere Mal Gelber Engel spielen.