WAS IST DIE ERDUMLAUFBAHN?

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Beginnend in den 1950er Jahren mit den Programmen Sputnik, Wostok und Merkur begannen die Menschen, „die mürrischen Bindungen der Erde zu lösen“. Und eine Zeit lang waren alle unsere Missionen das, was als Low-Earth Orbit (LEO) bekannt ist. Im Laufe der Zeit mit den Apollo-Missionen und Weltraummissionen mit Roboter-Raumfahrzeugen (wie dem Voyager-Missionen) wagten wir uns darüber hinaus und erreichten den Mond und andere Planeten des Sonnensystems.

Aber im Großen und Ganzen war die überwiegende Mehrheit der Missionen im Weltraum im Laufe der Jahre - ob mit oder ohne Besatzung - im erdnahen Orbit. Hier befinden sich die zahlreichen Kommunikations-, Navigations- und Militärsatelliten der Erde. Und hier führt die Internationale Raumstation (ISS) ihre Operationen durch, in die heute auch die meisten Missionen mit Besatzung gehen. Was ist LEO und warum sind wir so darauf bedacht, Dinge dorthin zu schicken?

Definition:

Technisch gesehen befinden sich Objekte in einer erdnahen Umlaufbahn in einer Höhe zwischen 160 und 2.000 km über der Erdoberfläche. Jedes Objekt unterhalb dieser Höhe wird unter dem Zerfall der Umlaufbahn leiden und schnell in die Atmosphäre abfallen, entweder verbrennen oder an der Oberfläche abstürzen. Objekte in dieser Höhe haben auch eine Umlaufzeit (d. H. Die Zeit, die sie benötigen, um die Erde einmal zu umkreisen) zwischen 88 und 127 Minuten.

Objekte, die sich in einer erdnahen Umlaufbahn befinden, unterliegen einem Luftwiderstand, da sie sich noch in den oberen Schichten der Erdatmosphäre befinden - insbesondere in der Thermosphäre (80 - 500 km; 50 - 310 mi) und in der Pause (500–1000 km; 310–) 620 mi) und die Exosphäre (1000 km; 620 mi und darüber hinaus). Je höher die Umlaufbahn des Objekts ist, desto geringer ist die atmosphärische Dichte und der Luftwiderstand.

Über 1000 km hinaus werden Objekte jedoch den Van-Allen-Strahlungsgürteln der Erde ausgesetzt sein - einer Zone geladener Teilchen, die sich bis zu einer Entfernung von 60.000 km von der Erdoberfläche erstreckt. In diesen Gürteln wurden Sonnenwind und kosmische Strahlung vom Erdmagnetfeld eingefangen, was zu unterschiedlichen Strahlungswerten führte. Daher zielen Missionen bei LEO auf Einstellungen zwischen 160 und 1000 km ab.

Eigenschaften:

Innerhalb der Thermosphäre, Thermopause und Exosphäre variieren die atmosphärischen Bedingungen. Zum Beispiel enthält der untere Teil der Thermosphäre (von 80 bis 550 Kilometer; 50 bis 342 Meilen) die Ionosphäre, die so genannt wird, weil hier in der Atmosphäre Partikel durch Sonnenstrahlung ionisiert werden. Daher muss jedes Raumfahrzeug, das in diesem Teil der Atmosphäre umkreist, den UV- und Hartionenstrahlungen standhalten können.

Die Temperaturen in dieser Region steigen ebenfalls mit der Höhe, was auf die extrem geringe Dichte seiner Moleküle zurückzuführen ist. Während die Temperaturen in der Thermosphäre bis zu 1500 ° C (2700 ° F) ansteigen können, bedeutet der Abstand der Gasmoleküle, dass es sich für einen Menschen, der in direktem Kontakt mit der Luft stand, nicht heiß anfühlt. In dieser Höhe treten auch die als Aurora Borealis und Aurara Australis bekannten Phänomene auf.

Die Exosphäre, die äußerste Schicht der Erdatmosphäre, erstreckt sich von der Exobase und verschmilzt mit der Leere des Weltraums, in dem es keine Atmosphäre gibt. Diese Schicht besteht hauptsächlich aus extrem geringen Dichten von Wasserstoff, Helium und mehreren schwereren Molekülen, einschließlich Stickstoff, Sauerstoff und Kohlendioxid (die näher an der Exobase liegen).

Um eine erdnahe Umlaufbahn aufrechtzuerhalten, muss ein Objekt eine ausreichende Umlaufgeschwindigkeit haben. Für Objekte in einer Höhe von 150 km und mehr muss eine Umlaufgeschwindigkeit von 7,8 km pro Sekunde (28.130 km / h) eingehalten werden. Dies ist etwas weniger als die Fluchtgeschwindigkeit, die erforderlich ist, um in die Umlaufbahn zu gelangen, und beträgt 11,3 Kilometer pro Sekunde (40.680 km / h).

Trotz der Tatsache, dass die Anziehungskraft der Schwerkraft in LEO nicht wesentlich geringer ist als auf der Erdoberfläche (ungefähr 90%), befinden sich Menschen und Objekte in der Umlaufbahn in einem konstanten Zustand des freien Falls, was das Gefühl der Schwerelosigkeit erzeugt.

Verwendung von LEO:

In dieser Geschichte der Weltraumforschung war die überwiegende Mehrheit der menschlichen Missionen im Low Earth Orbit. Die Internationale Raumstation umkreist auch LEO in einer Höhe von 320 bis 380 km. In LEO werden die meisten künstlichen Satelliten eingesetzt und gewartet. Die Gründe dafür sind recht einfach.

Zum einen würde der Einsatz von Raketen und Space Shuttles in Höhen über 1000 km deutlich mehr Treibstoff erfordern. Innerhalb von LEO weisen Kommunikations- und Navigationssatelliten sowie Weltraummissionen eine hohe Bandbreite und eine geringe Kommunikationszeitverzögerung (auch bekannt als Latenz) auf.

Für Erdbeobachtungs- und Spionagesatelliten ist LEO immer noch niedrig genug, um einen guten Blick auf die Erdoberfläche zu werfen und große Objekte und Wettermuster auf der Oberfläche aufzulösen. Die Höhe ermöglicht auch schnelle Umlaufzeiten (etwas mehr als eine Stunde bis zwei Stunden), so dass sie dieselbe Region an einem einzigen Tag mehrmals auf der Oberfläche betrachten können.

Und natürlich sind Objekte in Höhen zwischen 160 und 1000 km von der Erdoberfläche nicht der intensiven Strahlung der Van-Allen-Gürtel ausgesetzt. Kurz gesagt, LEO ist der einfachste, billigste und sicherste Ort für den Einsatz von Satelliten, Raumstationen und Weltraummissionen mit Besatzung.

Probleme mit Weltraummüll:

Aufgrund seiner Beliebtheit als Ziel für Satelliten und Weltraummissionen und mit zunehmenden Weltraumstarts in den letzten Jahrzehnten wird LEO auch zunehmend mit Weltraummüll überlastet. Dies geschieht in Form von weggeworfenen Raketenstufen, nicht funktionierenden Satelliten und Trümmern, die durch Kollisionen zwischen großen Trümmerteilen entstehen.

Die Existenz dieses Trümmerfeldes in LEO hat in den letzten Jahren zu wachsender Besorgnis geführt, da Kollisionen mit hohen Geschwindigkeiten für Weltraummissionen katastrophal sein können. Und bei jeder Kollision entstehen zusätzliche Trümmer, die einen zerstörerischen Zyklus bilden, der als Kessler-Effekt bekannt ist - benannt nach dem NASA-Wissenschaftler Donald J. Kessler, der ihn 1978 erstmals vorschlug.

Im Jahr 2013 schätzte die NASA, dass es bis zu 21.000 Stück Müll geben kann, die größer als 10 cm, 500.000 Partikel zwischen 1 und 10 cm und mehr als 100 Millionen kleiner als 1 cm sind. Infolgedessen wurden in den letzten Jahrzehnten zahlreiche Maßnahmen ergriffen, um Weltraummüll und Kollisionen zu überwachen, zu verhindern und zu mindern.

Zum Beispiel gab die NASA 1995 als erste Weltraumbehörde der Welt eine Reihe umfassender Richtlinien zur Minderung von Trümmern in der Umlaufbahn heraus. 1997 reagierte die US-Regierung mit der Entwicklung der Standardpraktiken zur Minderung von Orbitalabfällen auf der Grundlage der NASA-Richtlinien.

Die NASA hat außerdem das Orbital Debris Program Office eingerichtet, das sich mit anderen Bundesabteilungen abstimmt, um Weltraummüll zu überwachen und Störungen durch Kollisionen zu beheben. Darüber hinaus überwacht das US Space Surveillance Network derzeit rund 8.000 umlaufende Objekte, die als Kollisionsgefahr gelten, und liefert einen kontinuierlichen Fluss von Umlaufdaten an verschiedene Behörden.

Das Space Debris Office der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) unterhält außerdem das Datenbank- und Informationssystem zur Charakterisierung von Objekten im Weltraum (DISCOS), das Informationen zu Startdetails, Orbitalverläufen, physikalischen Eigenschaften und Missionsbeschreibungen für alle Objekte enthält, die derzeit von der ESA verfolgt werden. Diese Datenbank ist international anerkannt und wird von fast 40 Agenturen, Organisationen und Unternehmen weltweit verwendet.

Low-Earth Orbit ist seit über 70 Jahren der Spielplatz für die Fähigkeit des menschlichen Weltraums. Gelegentlich haben wir uns über den Spielplatz hinaus und weiter ins Sonnensystem (und sogar darüber hinaus) gewagt. In den kommenden Jahrzehnten wird voraussichtlich viel mehr Aktivität in LEO stattfinden, einschließlich des Einsatzes von mehr Satelliten, Cubesats, fortgesetzten Operationen an Bord der ISS und sogar des Luft- und Raumfahrttourismus.

Unnötig zu erwähnen, dass diese Zunahme der Aktivität erfordert, dass wir etwas gegen den gesamten Müll unternehmen, der die Weltraumspuren durchdringt. Da immer mehr Raumfahrtagenturen, private Luft- und Raumfahrtunternehmen und andere Teilnehmer LEO nutzen möchten, müssen einige ernsthafte Aufräumarbeiten durchgeführt werden. Und einige zusätzliche Protokolle müssen sicherlich entwickelt werden, um sicherzustellen, dass es sauber bleibt.

Wir haben hier im Space Magazine viele interessante Artikel über die Umlaufbahn der Erde geschrieben. Was ist die Erdumlaufbahn? Wie hoch ist der Weltraum? Wie viele Satelliten befinden sich im Weltraum? Das Nord- und Südlicht - Was ist eine Aurora? und was ist die Internationale Raumstation?

Wenn Sie weitere Informationen zur Erdumlaufbahn wünschen, lesen Sie die Umlaufbahnarten auf der Website der Europäischen Weltraumorganisation. Hier ist auch ein Link zu dem Artikel der NASA über den Low Earth Orbit.

Wir haben auch eine ganze Episode von Astronomy Cast aufgenommen, in der es darum geht, das Sonnensystem zu umgehen. Hören Sie hier, Episode 84: Sich im Sonnensystem bewegen.

Quellen: