Ausgebrannte Satelliten beim Wiedereintritt: Aluminiumverschmutzung in der oberen Atmosphäre und Folgen fürs Ozon

Ausgediente Satelliten, die beim Wiedereintritt verglühen, entwickeln sich zu einer neuen, stetig wachsenden Quelle für Aluminiumverschmutzung in der oberen Atmosphäre.

Der Niederschlag dieser Partikel sammelt sich vor allem in Polnähe, verändert Temperaturen und Winde in grosser Höhe und berührt damit direkt die empfindlichen Prozesse, von denen die Erholung der Ozonschicht abhängt.

Das Problem der Verschmutzung durch Verglühen

Die Entsorgung von Satelliten findet heute in genau den dünnen Luftschichten statt, in denen schon kleine Störungen unverhältnismässig starke Reaktionen der Atmosphäre auslösen können.

Christopher Maloney und sein Team untersuchten in einem Labor der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), wie Aluminium, das beim Verglühen von Satelliten freigesetzt wird, über lange Zeit bestehen kann, sich verlagert und sich weit oberhalb der Wettersysteme anreichert.

„Wenn wir auf diese Situationen hochskalieren, in denen wir diese 60.000+ Satelliten im niedrigen Erdorbit haben, könnten wir tatsächlich beginnen, die mittlere Atmosphäre zu beeinflussen“, sagte Maloney.

Damit erscheint die bislang als Routine betrachtete Entsorgung nicht mehr als einzelnes Ereignis, sondern als dauerhafter Eintrag in die Atmosphäre – mit Folgen, die sich langsam entwickeln und grösstenteils ausserhalb der öffentlichen Wahrnehmung bleiben.

Eine Flotte, die sich ständig erneuert

Beobachtungs- und Tracking-Netzwerke erfassen inzwischen mehr als 9.000 aktive Satelliten im Orbit – und die Zahl wächst weiter.

Viele Satelliten im niedrigen Erdorbit bleiben nur rund fünf Jahre in Betrieb. Entsprechend schnell wird Hardware ersetzt. Um die Bahnen frei zu halten, senken Betreiber häufig die Umlaufbahn und lassen ältere Systeme in der Atmosphäre verglühen.

So entstehen jedes Jahr Tausende kontrollierte und unkontrollierte Wiedereintritte – und diese Kette würde selbst dann weiterlaufen, wenn ab morgen keine Starts mehr stattfänden.

Wenn Aluminium zu Staub wird

Da zahlreiche Satelliten grosse Mengen Aluminium enthalten, verwandelt die Hitze beim Wiedereintritt einen beträchtlichen Anteil rasch in Aluminiumoxid-Staub (Alumina), also Aluminiumoxid aus verbranntem Metall.

Maloneys Gruppe berechnete für das Jahr 2040 etwa 11.000 Tonnen Aluminiumoxid pro Jahr, ausgehend davon, dass dann ungefähr 3.000 Satelliten jährlich verglühen.

Unter diesen Annahmen könnte die zusätzlich eingetragene, menschengemachte Masse in eine Grössenordnung gelangen, die mit dem natürlichen Staub konkurriert, den Meteore beim Verglühen freisetzen.

Im Fokus der Studie stand Aluminiumoxid als zentraler Schadstoff; für andere Metalle aus Wiedereintritten fehlen bislang belastbare Schätzungen und ausreichende Tests.

Wo sich die Partikel anreichern

In den Simulationen verteilten sich die neu gebildeten Partikel nicht gleichmässig, sondern ballten sich sowohl in Richtung Nord- als auch Südpol.

Das Modell ergab eine Last von rund 22.000 bis 44.000 Tonnen in Höhen zwischen etwa 9,7 und 30,6 Kilometern (6 bis 19 Meilen) – jeweils polwärts von 30 Grad Breite. Strömungen transportierten das Material innerhalb von 1 bis 3 Jahren von den Wiedereintrittshöhen nach unten in die ozonreiche Schicht.

Die Anreicherung fällt damit vor allem in hohe Breiten, also in Zonen, in denen schon geringe Temperaturänderungen die saisonale Zirkulation aus dem Takt bringen können.

Erwärmung weit über den Wolken

Schon kleine Verschiebungen darin, wie Luft Energie aufnimmt und abgibt, können die mittlere Atmosphäre messbar erwärmen oder abkühlen.

Die Modellläufe zeigten Temperaturabweichungen von bis zu etwa 3 Grad Fahrenheit (rund 1,7 °C) über hohen südlichen Breiten.

Aluminiumoxid wirft einen Teil des Sonnenlichts zurück und nimmt zugleich Infrarotwärme auf – dadurch verändert sich, wie Energie durch die dünne obere Atmosphäre fliesst.

Diese Schwankungen treten weit oberhalb der Wettersysteme auf, beeinflussten aber dennoch die Zirkulationsmuster, die Winde und die Ozonchemie steuern.

Winde, die Ozon schützen

Im Winter kreisen um die Antarktis die Winde des Polarwirbels – ein Ring starker Strömungen rund um den Pol. Die neuen Simulationen brachten Wiedereintrittsverschmutzung mit einer Verlangsamung dieses Wirbels um 10% in Verbindung; in der Folge fiel das Ozonloch im Frühling schwächer aus.

Eine globale Bewertung verortete die Rückkehr des Ozons in den meisten Regionen nahe 2040, in der Arktis nahe 2045 und in der Antarktis nahe 2066.

Jede zusätzliche Belastung der polaren Windmuster könnte diese Zeitpläne nach hinten verschieben – insbesondere dann, wenn das Verglühen von Satelliten in den kommenden Jahrzehnten weiter zunimmt.

Chemische Reaktionen in der Luft

In der Studie wurde der Wiedereintrittsstaub als reines Aluminiumoxid behandelt; im Mittelpunkt standen Transport und Energieaufnahme.

Die Teilchen blieben in den Simulationen zunächst chemisch inert und reagierten nicht mit anderen Stoffen in der Atmosphäre.

Unter realen Bedingungen kann sich Aluminiumoxid jedoch in vorhandenen Sulfatdunst einmischen, und die Partikeloberflächen könnten Reaktionen beschleunigen, die Ozon abbauen.

Solange Labore und Messflüge diese Oberflächeneffekte nicht genauer bestimmen, bleibt das tatsächliche Ozonrisiko durch sterbende Satelliten unsicher.

Belege aus Proben in grosser Höhe

Forschende haben die Stratosphäre – eine kalte Schicht in etwa 9,7 bis 48,3 Kilometern Höhe (6 bis 30 Meilen) – bereits beprobt und dort Metalle aus Wiedereintritten nachgewiesen.

Messungen in grosser Höhe ergaben, dass ungefähr 10% der stratosphärischen Aerosolpartikel (winzige, in der Luft schwebende Partikel) Metalle aus Wiedereintritten enthielten.

In denselben Proben fanden sich mehr als 20 Elemente, die mit Legierungen aus der Raumfahrt in Verbindung stehen. Das deutet darauf hin, dass Wiedereintrittsreste manche natürlichen Quellen übertreffen können.

Diese Metalle stellen für Menschen am Boden vermutlich keine direkte Gefahr dar, könnten die Aerosolschicht in grosser Höhe jedoch auf bislang unbekannte Weise verändern.

Optionen für die Entsorgung von Satelliten

Nicht jeder Satellit endet auf dieselbe Art – und laut Studie hängt viel davon ab, wo die Wiedereintritte stattfinden.

In der NOAA-Studie führte ein auf polare Regionen ausgerichtetes Entsorgungsmuster zu den geringsten Klimaeffekten, während Muster in niedrigeren Breiten deutlich stärkere Reaktionen auslösten.

Ein Bundesbericht warnte, dass Emissionen aus Wiedereintritten Temperaturen und Ozon beeinflussen könnten, hob jedoch zugleich den Mangel an Daten hervor.

Bessere Verfolgung, gemeinsam getragene Standards und gezielte Probenahmen könnten Herstellern helfen, diese Form der Verschmutzung zu reduzieren, bevor sie zu einem dauerhaften Bestandteil der oberen Atmosphäre wird.

Tausende Routine-Verglühungen könnten schon bald eine zusätzliche Schicht aus Metallstaub in genau jene Luft eintragen, die das Ozon schützt.

Wissenschaft und Regulierung können das Risiko weiterhin steuern, indem Messungen verbessert, Modelle aktualisiert und die Ausserdienststellung von Satelliten sorgfältiger geplant wird.