Seismische Sensoren verfolgen fallenden Weltraumschrott beim Wiedereintritt

Forschende haben gerade eine neue Methode entdeckt, um den unkontrollierten Wiedereintritt herabfallenden Weltraumschrotts zu verfolgen.

Beim Durchschlagen der Atmosphäre erzeugen Trümmerteile aus dem All Überschallknalle. Diese lassen sich mit bodengestützten Instrumenten erfassen, die normalerweise Vorgänge weit unter uns beobachten: seismische Sensoren, welche die Erschütterungen im Inneren unseres unruhigen Planeten überwachen.

Dabei handelt es sich nicht nur um eine theoretische Überlegung. Der Planetenforscher Benjamin Fernando von der Johns Hopkins University und der Ingenieur Constantinos Charalambous vom Imperial College London prüften ihre Hypothese anhand des Wiedereintritts des Orbitalmoduls Shenzhou-15 im Jahr 2024.

Die von seismischen Sensoren aufgezeichneten Daten lieferten präzise Messwerte – nicht allein zum Wiedereintritt selbst, sondern auch zu Geschwindigkeit, Höhenbereich, Größe und Sinkwinkel des Objekts sowie zum Zeitpunkt seiner Fragmentierung während des Falls.

„Beobachtungen einer kaskadenartigen, multiplikativen Fragmentierung ermöglichen Einblicke in die Dynamik des Zerfalls von Trümmerteilen und haben klare Auswirkungen auf die Weltraumlageerfassung und die Minderung von Risiken durch Weltraumschrott“, schreiben die Forschenden in ihrer Studie.

Weltraumschrott und die Risiken unkontrollierter Wiedereintritt

Weltraumschrott wird zu einem immer größeren Problem. Nach einem Bericht der Europäischen Weltraumorganisation ESA vom April 2025 befinden sich schätzungsweise 1,2 Millionen potenziell gefährliche Trümmerteile in der Erdumlaufbahn. Mit dem Ende der Einsatzdauer weiterer Satelliten wird diese Zahl nur weiter steigen.

Mit einem solchen „toten“ Raumfahrzeug lässt sich weder kommunizieren, noch kann es gesteuert werden. Kollidiert es mit einem anderen Trümmerteil oder sinkt seine Umlaufbahn weit genug für einen Wiedereintritt ab, bleibt uns lediglich, seinen Weg zu beobachten.

Fernando und Charalambous zufolge lässt sich diese Beobachtung jedoch deutlich effektiver durchführen als bislang angenommen. Wenn bekannt ist, wo, in welcher Höhe, mit welcher Geschwindigkeit und auf welche Weise ein wiedereintretendes Weltraumschrottteil zerbrach, können wir die Dynamik des atmosphärischen Wiedereintritts besser verstehen und abschätzen, wo die einzelnen Teile wahrscheinlich niedergehen.

Ein Überschallknall entsteht, wenn sich ein Objekt in einem Medium schneller als mit Schallgeschwindigkeit bewegt. Die Bezeichnung ist etwas irreführend: Es handelt sich nicht um einen einzelnen, klar abgegrenzten Knall, sondern eher um eine Nachlaufspur – eine Stoßwelle, die entsteht, wenn sich ausbreitende Druckwellen hinter dem schnellen Objekt zu einem Kegel verdichten.

Objekte, die aus dem All in die Erdatmosphäre eintreten, bewegen sich häufig schneller als der Schall und erreichen Überschall- oder sogar Hyperschallgeschwindigkeiten. Während sie durch die Atmosphäre rasen, ziehen sie einen Kegel akustischer Energie hinter sich her, den Menschen entlang seiner Bahn als Knall wahrnehmen können.

Seismische Sensoren sind für den Nachweis akustischer Signale aus dem tiefen Erdinneren ausgelegt. Die Forschenden nahmen jedoch an, dass diese Geräte möglicherweise auch den akustischen Mach-Kegel fallender Weltraumtrümmer verfolgen können.

Shenzhou-15 als Testfall für seismische Sensoren

Am 2. April 2024 trat das ausrangierte Orbitalmodul Shenzhou-15 über Südkalifornien wieder in die Erdatmosphäre ein. Mit einer Größe von 2,2 Metern (7,2 Fuß) und einer Masse von 1,5 Tonnen war es groß und schwer genug, um sowohl für die Luftfahrt als auch für Infrastruktur am Boden ein Risiko darzustellen – also ein idealer Testfall für diese Art der Verfolgung.

Die Forschenden griffen auf die öffentlich zugänglichen Daten des Southern California Seismic Network und des Nevada Seismic Network zu und suchten nach Hinweisen auf den Vorbeiflug des Moduls. Sie fanden Signaturen, die zu dem auf die Erdoberfläche treffenden Mach-Kegel passten, und rekonstruierten den letzten Flugabschnitt sowie die Zerstörung des Objekts.

Den seismischen Daten zufolge bewegte sich das Modul mit etwa Mach 25 bis 30. Das stimmte mit der Charakterisierung seiner Umlaufbahn vor dem Eintritt überein, bei der seine Geschwindigkeit auf rund 7,8 Kilometer (4,8 Meilen) pro Sekunde bestimmt worden war.

Die Forschenden stellten außerdem fest, dass der frühere Abschnitt des Falls ein einziges starkes Knallsignal erzeugte. Später wandelte sich dieses in eine komplexe Folge mehrerer kleinerer Knallsignale um – im Einklang mit Beobachtungen vom Boden, wonach das Objekt zerbrochen war.

Letztlich verglühte das Modul während seines Falls ungefährlich in der Atmosphäre. Die Ergebnisse zeigen jedoch, dass sich die Eigenschaften eines Wiedereintrittsflugs mit seismischen Stationen wirksam und präzise verfolgen lassen. Bei Objekten, die nicht so vollständig verglühen, könnte dies eines Tages helfen, das wahrscheinlichste Trümmerfeld jener Teile zu lokalisieren, die den Boden erreichen.

„Da diese Objekte notwendigerweise mit Überschallgeschwindigkeit wieder in die Atmosphäre eintreten, werden die größten Fragmente, falls sie auf dem Boden aufschlagen, dies tun, bevor ihre Überschallknalle entdeckt werden“, schreiben die Forschenden. „Die Erkennung und Verfolgung mit seismoakustischen Methoden ermöglicht es jedoch, Trümmer am Boden schneller und präziser zu lokalisieren, als dies sonst möglich wäre.“

Aerosole und Trümmerfelder besser nachvollziehen

Ein weiteres Problem ist die Verteilung potenziell gefährlicher Partikel in Aerosolgröße, die freigesetzt werden können, wenn das Objekt verglüht und zerbricht. Erkenntnisse darüber, wie diese Versagenszustände ablaufen, könnten Forschenden helfen zu modellieren, wohin und auf welche Weise sich solche Wolken ausbreiten.

Vorerst bleiben unkontrollierte Wiedereintrittsvorgänge genau das: unkontrolliert. Zwar können wir sie möglicherweise nicht verhindern, doch die neue Forschung zeigt einen Weg auf, öffentlich verfügbare Werkzeuge einzusetzen, um ihren Fall zu beobachten und besser zu verstehen.

Die Studie wurde in Science veröffentlicht.