Wachsende Satellitenflotten bedrohen Weltraumbeobachtung

Forscher warnen, dass von den wachsenden Flotten kommerzieller Satelliten reflektiertes Licht den Großteil der Aufnahmen von erdnahen Weltraumteleskopen verfälschen könnte. Eine neue Studie modelliert, wie vorgeschlagene Megakonstellationen – sollten sie wie geplant gestartet werden – astronomische Beobachtungen in vielen Fällen deutlich erschweren oder sogar unmöglich machen würden.

Ein überfüllter Himmel und die Zahlen hinter dem Risiko

Die Zahl aktiver Satelliten in der niedrigen Erdumlaufbahn (LEO) ist von etwa 2.000 im Jahr 2019 auf rund 15.000 heute gestiegen, vor allem durch kommerzielle Internet-Konstellationen. Diese jüngste Zunahme könnte jedoch nur die Ruhe vor dem Sturm sein: Die in Nature veröffentlichte Studie prognostiziert, dass bis in die späten 2030er Jahre bei Umsetzung aller aktuellen Anträge auf Zulassung bis zu 560.000 Satelliten in der Umlaufbahn sein könnten.

Um die Folgen abzuschätzen, simulierten die Forschenden, wie diese Satelliten die Beobachtungen von vier verschiedenen Weltraumteleskopen kreuzen würden. Das Ergebnis: Reflektiertes Sonnenlicht und Spuren von Satelliten könnten geschätzt 96 Prozent der Aufnahmen mehrerer erdnaher Instrumente beeinträchtigen. Betroffen wären demnach unter anderem die NASA-Mission SPHEREx, das geplante ESA-Projekt ARRAKIHS und Chinas geplantes Teleskop Xuntian. Das Hubble-Weltraumteleskop, mit seinem engeren Gesichtsfeld, würde etwa ein Drittel seiner Aufnahmen als kontaminiert sehen.

Eine Simulation, die zeigt, wie Lichter von Satelliten Aufnahmen des Universums, die von Weltraumteleskopen gemacht wurden, verunreinigen können.

Warum das für Wissenschaft und Planetenschutz wichtig ist

Weltraumteleskope sind häufig die erste Wahl für die Beobachtung lichtschwacher Objekte, da sie atmosphärische Unschärfe und Absorption umgehen. Doch Satelliten, die das Gesichtsfeld eines Teleskops durchqueren, hinterlassen lineare Spuren oder kurzzeitige Blitze, die echte astrophysikalische Signale vortäuschen können. Diese Verwechslungen haben praktische Konsequenzen: Durchmusterungen, die nach potenziell gefährlichen erdnahen Objekten (NEOs) suchen, könnten eine harmlose Satellitenspur für einen gefährlichen Asteroiden halten oder umgekehrt eine echte Bedrohung übersehen, weil sie durch Satellitenstreifen maskiert wird.

Nicht alle Missionen sind gleichermaßen betroffen. Teleskope, die am zweiten Sonnen-Erde-Lagrange-Punkt (L2) stationiert sind, etwa 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt, bleiben weitgehend verschont; das James-Webb-Weltraumteleskop operiert beispielsweise von L2 und umgeht damit die dichtesten Schichten des LEO-Verkehrs. Viele zukünftige Observatorien und missionen, die auf erdnahe Beobachtungen oder Karten des Himmels abzielen, werden jedoch viel näher an der Erde positioniert sein – genau dort, wo die wachsende Satellitenpopulation am störendsten wirkt.

Konkrete Auswirkungen auf Forschung, Überwachung und Zeitbereichsastronomie

Die Verschmutzung durch Satelliten betrifft mehrere Bereiche der Astronomie und damit verbundener Anwendungen:

• Survey-Wissenschaft: Himmelsdurchmusterungen, die großflächig und wiederholt Messdaten sammeln, sind besonders anfällig, weil jede zusätzliche Kontamination die Komplettheit und die statistische Aussagekraft der Daten verringert.
• Zeitbereichsastronomie (Time-Domain Astronomy): Für die Suche nach transienten Ereignissen wie Supernovae, Neutronensternverschmelzungen oder schnellen Radiobursts ist eine verlässliche Detektion in kurzen Zeitfenstern entscheidend. Satellitenspuren erhöhen die False-Positive-Rate und können echte kurze Ereignisse überdecken.
• Planetary Defence und NEO-Überwachung: Programme zur Früherkennung erdnaher potenziell gefährlicher Objekte könnten durch Satellitenartefakte ineffizienter werden, da zusätzliche Prüfungen und längere Beobachtungszeiten nötig sind.
• Spektroskopie und präzise Photometrie: Lichtspuren und flackernde Reflexionen stören empfindliche Messungen von Sternspektren oder Lichtkurven, die für die Charakterisierung von Exoplaneten und fernen Galaxien wichtig sind.

In der Summe bedeutet das: Forschungsprogramme, die auf Langzeitstabilität und systematische Genauigkeit angewiesen sind, sehen sich erhöhtem Aufwand, Datenverlust und möglichen Umstellungen in Strategie und Technik gegenüber.

Technische Details zur Kontamination

Die Auswirkungen hängen von mehreren physikalischen und orbitalen Parametern ab:

• Helligkeit (Magnituden): Satelliten werden abhängig von ihrer Größe, Form, Oberflächenbeschaffenheit und Einfallswinkel des Sonnenlichts unterschiedlich hell. Große, flache Strukturen können sogar die Helligkeit heller Sterne erreichen.
• Phase und Beobachtungsgeometrie: Der Reflexionswinkel zwischen Sonne, Satellit und Teleskop beeinflusst Intensität und Dauer einer Spur.
• Bahnparameter: Höhe, Inklination und Knotenlage bestimmen, wie oft und in welcher Dichte Satelliten einen bestimmten Himmelsbereich überqueren.
• Variabilität: Satellitenlagen und Orientierungen können sich ändern (z. B. durch Reorientierung oder Bahnanpassungen), sodass Vorhersagen und Maskierungen komplex werden.

In den Simulationen der Studie wurden diese Faktoren zusammengeführt, um realistische Szenarien zu erzeugen. Solche Modelle berücksichtigen Ephemeriden, Oberflächeneigenschaften (Albedo), sowie die geplante Größe und Anzahl der Satelliten je Konstellation.

Technische Details und mögliche Gegenmaßnahmen

Höhenwahl und Orbitaldesign

• Höhenmanagement: Eine Verlagerung großer Konstellationen in andere Bahnhöhen kann die direkten Überkreuzungen mit bestimmten erdnahen Teleskopen reduzieren. Satelliten unterhalb oder oberhalb bestimmter Teleskopkreuzungspfade minimieren Konflikte, doch niedrigere Orbits führen zu stärkerer atmosphärischer Reibung und damit zu häufigeren Reboost-Manövern.
• Umweltfolgen sehr niedriger Orbits: Häufige Bahnkorrekturen und ein erhöhtes Atmosphärenaufkommen können Emissionen und chemische Effekte in der oberen Atmosphäre verstärken; es gibt Hinweise auf mögliche Auswirkungen, etwa auf die chemische Zusammensetzung der Stratosphäre und die Ozonschicht bei massenhaften Manövern.

Transparenz, Koordination und Datenfreigabe

Betreiber könnten präzise Bahndaten (Ephemeriden), Orientierung und Oberflächeneigenschaften bereitstellen, damit Observatorien Vorhersage-Tools nutzen, Satellitenüberkreuzungen maskieren und Beobachtungspläne adaptiv anpassen können. Solche Maßnahmen verringern jedoch nicht den Verlust von Dateninhalten vollständig und erhöhen die Verarbeitungslast in den Datenpipelines.

Ein verbessertes Melde- und Koordinationsnetzwerk zwischen Satellitenbetreibern, astronomischen Einrichtungen und Regulierungsbehörden (etwa FCC, ITU, ESA-Nationalstellen) ist technisch möglich, erfordert jedoch rechtliche Rahmenbedingungen, Standardisierung und Compliance-Prüfungen.

Designveränderungen und Abschattungen

• Dunkle Beschichtungen und matte Oberflächen können die Rückstrahlung reduzieren; es gibt bereits Tests mit Low-Reflectivity-Anstrichen und -materialien.
• Sonnensegel, Abschattungen oder ausgeklügelte Orientierungsstrategien (z. B. Kanten zum Beobachter kehren) können Reflexionen minimieren, sind aber bei wachsenden Flächenanforderungen teils technisch und wirtschaftlich herausfordernd.
• Wachsende Satellitengrößen: Der Trend zu größeren Plattformen für KI-gestützte Anwendungen und hohe Bandbreiten erhöht die Signifikanz des Problems. Objekte von 100 Quadratmetern können heute schon mit den hellsten Sternen konkurrieren; Pläne für Plattformen mit mehreren Tausend Quadratmetern könnten planetenähnliche Helligkeiten erreichen.

Softwarelösungen und Datenverarbeitung

Automatisierte Algorithmen zur Erkennung und Entfernung von Satellitenspuren sind Teil der Lösung: Bildverarbeitung, maschinelles Lernen und detalilli gesteuerte Maskierungsprozesse können Spurartefakte reduzieren, aber sie bringen ihre eigenen Unsicherheiten ein und können astrophysikalische Signale verändern oder abschwächen. Außerdem erhöhen sie lokal die Rechenkosten und erschweren eine gleichbleibende Datenqualität für langfristige Analysen.

Wirtschaftliche und politische Rahmenbedingungen

Der Wettbewerb zwischen Satelliteninternet-Anbietern und die Nachfrage aus datenintensiven Industrien machen eine deutliche Reduktion von Starts politisch und wirtschaftlich unwahrscheinlich. Fast drei Viertel der aktuellen LEO-Satelliten gehören einer einzigen Firma, doch Prognosen deuten darauf hin, dass sich diese Dominanz abschwächen wird, sobald mehr Staaten und Unternehmen in den Markt eintreten.

Regulatorische Maßnahmen könnten Emissions- und Designanforderungen, verpflichtende Datenaustauschstandards oder Limits für die Anzahl aktiver Satelliten in bestimmten Höhenzonen vorsehen. Die Umsetzung erfordert internationale Abstimmung, weil der Orbit ein globales Gemeingut ist und einzelne nationale Maßnahmen begrenzte Wirkung zeigen könnten.

Expert Insight

Dr. Elena Vargas, eine Astrophysikerin mit Schwerpunkt Beobachtungsdurchmusterungen, kommentiert: 'Das Problem besteht nicht nur darin, dass Bilder verschlechtert werden. Die Vollständigkeit von Surveys und die Schwellwerte für die Detektion von Transienten werden sich unvorhersehbar verschieben. Das untergräbt dauerhafte Überwachungsprogramme und könnte tiefgreifende Änderungen in Beobachtungsstrategien oder Instrumentendesigns erzwingen. Koordinierte Minderungsmaßnahmen und regulatorische Aufmerksamkeit sind jetzt erforderlich, nicht später.'

Solche Stimmen aus der Fachgemeinschaft unterstreichen die Dringlichkeit eines konzertierten Vorgehens: Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler fordern klarere politische Leitplanken, Hersteller suchen technische Ansätze zur Abschwächung, und Netzwerkbetreiber prüfen Kompromisse zwischen Funktionalität und astronomischer Verträglichkeit.

Praktische Beispiele und Modellannahmen

In den Modellszenarien wurden verschiedene Annahmen getroffen, etwa zu Albedo-Werten, Flächenverteilungen und Startraten. Die 96-Prozent-Angabe bezieht sich auf ein Worst-Case- oder Business-as-Usual-Szenario, bei dem alle eingereichten Satellitenpläne realisiert werden. Unterschiede zwischen Missionen ergeben sich vor allem durch Gesichtsfeldgröße, Beobachtungszyklen und spektrale Empfindlichkeit.

Beispielsweise sind Weitfeldmissionen, die große Himmelsareale in kurzen Intervallen abdecken wollen, deutlich anfälliger als hochauflösende, enge Instrumente. Dennoch ist selbst ein Drittel kontaminierter Aufnahmen beim Hubble-Teleskop signifikant, weil historische Langzeitdaten durch solche Verluste in Homogenität und Vergleichbarkeit leiden.

Fazits und Handlungsempfehlungen

Die astronomische Gemeinschaft steht an einem Scheideweg. Der rasche kommerzielle Ausbau der LEO-Kapazitäten verspricht weltweite Konnektivität und neue Dienste, doch er gefährdet auch die Beobachtungen, die unser Verständnis des Universums erweitern.

Praktische Schritte, die die schlimmsten Auswirkungen mildern könnten, umfassen:

• Verbesserte und verpflichtende Weitergabe von Telemetrie- und Ephemeridedaten durch Betreiber an Forschungsinstitute.
• Technische Designänderungen zur Reduktion der Rückstrahlung (dunklere Oberflächen, Abschirmungen, optimierte Orientierung).
• Regulatorische Koordination auf internationaler Ebene, um unkontrolliertes Wachstum in kritischen Bahnhöhen einzudämmen und Standards für astronomische Verträglichkeit festzulegen.
• Investitionen in algorithmische Lösungen zur Spurenerkennung und Wiederherstellung, begleitet von Qualitätskontrollen zur Sicherstellung, dass wissenschaftliche Messergebnisse nicht verfälscht werden.

Ohne solche Maßnahmen könnten erdnahe Weltraumteleskope und bodengebundene Observatorien gleichermaßen eine schrittweise Erosion ihrer Fähigkeit erleben, schwache, ungestörte Ansichten des Kosmos einzufangen. Die Herausforderung liegt darin, wirtschaftliche, technische und wissenschaftliche Interessen so auszutarieren, dass sowohl Infrastrukturentwicklung als auch wissenschaftliche Rückhaltefähigkeit erhalten bleiben.

Zusammenfassend ist die Problematik der Satelliten-Megakonstellationen eine der großen interdisziplinären Aufgaben des aktuellen Jahrzehnts: Sie erfordert Kooperation zwischen Astronomie, Raumfahrtindustrie, Regulierern und Umweltwissenschaften, damit sowohl innovativer digitaler Fortschritt als auch fundamentale astronomische Forschung nebeneinander bestehen können.