Neue geostationäre Umlaufbahnen dank Sonnensegel möglich

Berechnungen schottischer Wissenschaftler beweisen, dass geostationäre Satellitenumlaufbahnen auch nördlich und südlich des Äquators möglich sind. Sonnensegel sollen den nötigen Schub dafür liefern.

Verschobener geostationärer Orbit
Verschobener geostationärer Orbit

Glasgow (Schottland) - Die Idee ist nicht neu. Schon 1984 hat der amerikanische Physiker Robert L. Forward vorgeschlagen, den Strahlungsdruck der Sonne auszunutzen, um Satelliten auf Bahnen zu bringen, die normalerweise unerreichbar sind, da sie nicht den Erdmittelpunkt als Umlaufzentrum haben. Allerdings stellten andere Wissenschaftler Forwards Berechnungen in Frage, weil er wichtige dynamische Effekte nicht berücksichtigt hatte. Jetzt haben Shahid Baig und Colin R. McInnes von der University of Strathclyde in Glasgow mit Hilfe von genauen Computermodellen gezeigt, dass Forward Recht hatte und es zumindest theoretisch möglich ist, die Satellitenbahnen um 10 bis 50 Kilometer nach Norden oder Süden zu verschieben. So könnten mehr geostationäre Satelliten in den schon jetzt überfüllten Orbit gebracht werden.

Satelliten, die sich mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit wie die Erde bewegen, also für einen Umlauf genau einen Tag brauchen, und sich zusätzlich über dem Äquator befinden, werden geostationär genannt. Von der Erde aus scheinen sie unbewegt, also stationär, am Himmel zu stehen, weil sie sich sozusagen mit der Erde mitdrehen. Das hat den großen Vorteil, dass es nicht nötig ist, Empfangsantennen nachzuführen. Es genügt, sie nur einmal auf den Satelliten auszurichten. Das ist besonders für Kommunikations- und Fernsehsatelliten wichtig.

Nach den Keplerschen Gesetzen hängt die Umlaufzeit eines Satelliten von seiner Entfernung zum Gravitationszentrum ab. Erdbeobachtungs- oder Wettersatelliten beispielsweise sind etwa 800 Kilometer entfernt und umlaufen die Erde innerhalb von ungefähr 100 Minuten. Für geostationäre Satelliten folgt aus ihrer Umlaufzeit von 24 Stunden, dass sie sich nur in einer Höhe von 36.000 Kilometern befinden können. Allein 400 Kommunikationssatelliten und unzählige defekte oder geheime Satelliten drängen sich auf diesem engen Band. Die Internationale Fernmeldeunion teilt den Satellitenbetreibern Boxen von 75 mal 75 Kilometern zu, innerhalb derer sie ihren Satelliten positionieren müssen, um Kollisionen oder Interferenzstörungen mit anderen zu verhindern. In Zukunft wird die Verkehrsdichte auf dieser Umlaufbahn weiter zunehmen. Das vorgeschlagene Verfahren, die Satelliten mit Sonnensegeln aus der geostationären Bahn etwas herauszuschieben und dort zu halten, könnte die Überfüllung verringern.

Das Sonnensegel müsste aus sehr leichtem, reflektierendem Material sein und ungefähr einen Durchmesser von 100 Metern haben. Das Sonnenlicht besteht aus Photonen, die einen Impuls mitführen. Diesen Impuls übertragen sie auf das Segel, so dass es von der Sonne weggedrückt wird. Das gleiche Prinzip führt auch dazu, dass ein Kometenschweif immer der Sonne abgewandt ist. "Der Druck des Sonnenlichtes, das von einem Sonnensegel reflektiert wird, kann Satelliten über oder unter die geostationäre Umlaufbahn schieben, während es außerdem auch das Zentrum der Umlaufsbahn leicht hinter die Erde, weg von der Sonne verschiebt", sagt Colin R. McInnes.

Der Schub, den der Strahlungsdruck liefert, würde aber lediglich für eine kleine Verschiebung von höchstens 50 Kilometern ausreichen. Damit befände man sich noch immer in der zugewiesenen Box. Allerdings wird bereits an einem Hybrid-Sonnensegel gearbeitet, dass Sonnenkraft mit einem konventionellen elektrischen Antrieb kombiniert. Damit könnten viel größere Verschiebungen erreicht werden. Colin McInnes hält sogar stationäre Umlaufbahnen um die Polarregionen für möglich, um genauere Daten für die Klimaforschung zu erhalten.