Binnen 15 Jahren: Wie herabfallende Satelliten die Stratosphäre und unser Klima verändern könnten

Die rasante Zunahme von Satelliten in der Erdumlaufbahn stellt nicht nur eine technische und sicherheitstechnische Herausforderung dar, sondern birgt auch weitreichende Auswirkungen für unsere Atmosphäre und das Klima. Innerhalb der nächsten 15 Jahre könnte der atmosphärische Einfluss herabfallender Satelliten, die am Ende ihres Lebenszyklus in der Erdatmosphäre verglühen, bereits messbare Veränderungen in den physikalischen Eigenschaften der Stratosphäre verursachen. Insbesondere die freigesetzten Aluminiumoxide, auch als Alumina bekannt, spielen dabei eine zentrale Rolle. Diese metallischen Aerosole könnten das Klima beeinflussen, indem sie die Windgeschwindigkeiten verändern und zu einer Erwärmung der mittleren Atmosphäre führen. Doch wie genau entsteht dieser Effekt, welche Risiken ergeben sich daraus für Umwelt und Gesellschaft, und welche Forschung steht noch aus, um diese komplexen Wechselwirkungen besser zu verstehen? Diese Fragen verdienen aufgrund der wachsenden Satellitenflotte in der niedrigen Erdumlaufbahn (Low Earth Orbit, LEO) höchste Aufmerksamkeit.

Seit mehreren Jahrzehnten sind Satelliten ein unverzichtbarer Bestandteil moderner Technologien. Sie gewährleisten Kommunikation, Navigation, Wettervorhersagen und wissenschaftliche Beobachtungen. Aktuell befinden sich etwa 5.500 Satelliten in den unteren Erdorbits. Doch mit dem Einstieg zahlreicher Telekommunikationsunternehmen, darunter Giganten wie Starlink, in den Aufbau großer Satellitenkonstellationen wächst diese Zahl drastisch an.

Experten schätzen, dass bis zum Jahr 2040 mehr als 60.000 aktive Satelliten in dieser Region des Weltraums operieren könnten. Satellitenhersteller und Betreibergesellschaften planen diese Systeme so, dass Satelliten etwa fünf Jahre im Einsatz bleiben und danach kontrolliert oder unkontrolliert in die Atmosphäre zurückkehren. Bei diesem Wiedereintritt verglüht der Großteil des Geräts, wobei große Mengen metallischer Bestandteile in Form von Alumina in der Stratosphäre freigesetzt werden. Diese Alumina-Partikel entstehen vor allem durch die Verbrennung von Aluminium, das als Hauptmaterial in Satellitenstrukturen verwendet wird.

Aluminiumoxid ist ein fester Bestandteil der austretenden Verbrennungsprodukte. Die Menge dieser Aerosole könnte bis 2040 jährlich etwa 10.000 Tonnen erreichen, was ungefähr dem Gegenwert von 150 im Meer verglühten Space Shuttles pro Jahr entspricht. Die Alumina-Partikel verbleiben mehrere Jahre in der Stratosphäre und verteilen sich vorwiegend in polaren Regionen. Die Wolken aus diesen metallischen Aerosolen beeinflussen durch ihre physikalischen Eigenschaften sowohl die Aufnahme als auch die Streuung von infraroter Strahlung.

Dies führt zu einer messbaren Erwärmung der Mesosphäre um bis zu 1,5 Grad Celsius in hohen Breitengraden. Eine wichtige Folge betrifft die Dynamik des sogenannten polaren Wirbels, einer zirkumpolaren Windströmung in der Stratosphäre, die wesentlich für das Zustandekommen des Ozonschicht-Lochs über der Antarktis verantwortlich ist. Studien weisen darauf hin, dass die Alumina-Partikel im südlichen polaren Wirbel die Windgeschwindigkeiten um etwa zehn Prozent reduzieren können. Eine Abschwächung dieses Wirbels beeinflusst das Temperatur- und chemische Gleichgewicht in der Stratosphäre, was dazu führen könnte, dass sich das jährlich auftretende antarktische Ozonloch verringert. Doch auch die Wirkung auf den nördlichen polaren Wirbel ist nicht einheitlich und kann, abhängig von den genauen Einträgen, sogar eine Verstärkung begünstigen.

Die Veränderungen in den atmosphärischen Temperaturprofilen durch Alumina und andere Metalloxid-Partikel sind von Bedeutung, weil sie den allgemeinen Energiehaushalt der oberen Atmosphäre beeinflussen. Dabei handelt es sich um eine Region, in der neben meteorischen Einträgen auch zahlreiche chemische Reaktionen stattfinden, die das Ozon und andere wichtige Spurengase betreffen. Durch die zunehmende anthropogene Belastung größerer Mengen metallischer Aerosole kommen nun neue Faktoren ins Spiel, deren langfristige Auswirkungen auf das Klima noch unzureichend erforscht sind. Bisherige Atmosphärenmodelle konnten den Einfluss von Satelliten-Verbrennungsprodukten nur unzureichend abbilden, da es an Beobachtungsdaten fehlte und die chemischen Interaktionen von Alumina mit anderen atmosphärischen Bestandteilen noch nicht ausreichend verstanden werden. Forscherteams, angeführt von Wissenschaftlern wie Chris Maloney von der University of Colorado und dem NOAA Chemical Sciences Laboratory, führen mittlerweile Simulationen durch, die zeigen, dass sich ein atmosphärisches „Glas“ aus Aluminiumoxid-Partikeln bilden könnte.

Diese Aerosolkumulierung sei vergleichbar mit der natürlichen Menge von Meteorstaub, der durch verglühende Meteore in das System eingebracht wird. Sollte die Anzahl der Satelliten und damit die Alumina-Emissionen wie prognostiziert exponentiell wachsen, könnte dies bereits innerhalb von zwei Jahrzehnten messbare Klimaeffekte nach sich ziehen. Neben der direkten Klimaauswirkung durch Heizungs- und Strahlungsprozesse besteht auch die Sorge um mögliche chemische Wechselwirkungen. Aluminiumoxid besitzt katalytische Eigenschaften, die unbekannte Effekte auf die Ozonchemie haben könnten. Die Ozonschicht ist eine entscheidende Schutzbarriere gegen schädliche ultraviolette Strahlung.

Veränderungen in deren Dicke oder Zusammensetzung können weitreichende Folgen für biologische Systeme und die menschliche Gesundheit haben. Ein weiterer Aspekt betrifft die atmosphärische Verteilung der Alumina-Partikel. Verschiedene Satelliten verglühen in unterschiedlichen geografischen Breiten. Die Eingangskoordinaten des Wiedereintritts spielen daher eine Rolle dabei, wo sich die Aerosole ansammeln und wie sie sich im Windsystem der mittleren und oberen Atmosphäre verteilen. Bei der Modellierung wurde deshalb berücksichtigt, wie unterschiedlich große Alumina-Partikel verschiedene Verweilzeiten haben und wie stark sie infrarote Strahlung absorbieren.

Je kleiner die Partikel, desto länger verbleiben sie in der Luft und desto ausgeprägter können sie das Strahlungsgleichgewicht verändern. Die Forschung zu diesem Thema steht am Anfang. Während die Satellitenanzahl rapide steigt, werden konventionelle Klimamodelle, die bisher nur natürliche Aerosole berücksichtigen, zunehmend unzureichend, um zukünftige Entwicklungen realistisch abzubilden. Für Wissenschaftler und Behörden entsteht ein dringender Bedarf, die Auswirkungen des Satelliten-Zuwachses systematisch zu untersuchen und gegebenenfalls politische Maßnahmen zu empfehlen, die etwa die Steuerung von Wiedereintrittsstätten oder die Materialauswahl von Satelliten betreffen. Auch eine Verbesserung der Wiederverwendungs- und Entsorgungstechnologien im Weltraum könnte helfen, den atmosphärischen Eintrag von Aluminiumoxid und anderen Verbrennungsprodukten zu minimieren.

Privatwirtschaft und staatliche Organisationen sind gleichermaßen gefordert, Umweltaspekte bei der Satellitenproduktion und -nutzung stärker in den Fokus zu nehmen. Die Balance zwischen den Vorteilen der globalen Satellitenkommunikation und den potenziellen Umweltfolgen muss sorgfältig austariert werden. Nur so lässt sich gewährleisten, dass der technische Fortschritt nicht zu einem belastenden Faktor für das Erdklimasystem wird. Abschließend lässt sich festhalten, dass innerhalb von 15 bis 20 Jahren die zunehmende Zahl herabfallender Satelliten ausreichend Alumina in die Stratosphäre bringen wird, um dort messbare physikalische und vielleicht auch chemische Veränderungen zu verursachen. Die potenziellen Auswirkungen auf globale Windsysteme, Temperaturen und das empfindliche Gleichgewicht der Ozonschicht zeigen, wie stark menschengemachte Eingriffe selbst in unbekannten Dimensionen und bislang wenig beachteten Bereichen möglich sind.

Eine enge Zusammenarbeit zwischen Atmosphärenforschern, Weltraumtechnikern und politischen Entscheidungsträgern ist unerlässlich, um die Folgen frühzeitig zu verstehen und wirksame Gegenstrategien zu entwickeln. Die kommenden Jahre werden zeigen, wie sich unser Umgang mit dem Erdorbit und den darin schwebenden Technologien auf das Klima unserer Erde dauerhaft auswirken wird.