Beginnend in den 1950er Jahren mit dem Sputnik , Wostok und Quecksilber Programme begannen die Menschen, „die mürrischen Fesseln der Erde abzulösen“. Und eine Zeit lang waren alle unsere Missionen das, was als Low-Earth Orbit (LEO) bekannt ist. Im Laufe der Zeit mit dem Apollo-Missionen und Weltraummissionen mit Roboter-Raumfahrzeugen (wie dem Reisemissionen ) begannen wir, uns darüber hinaus vorzuwagen und erreichten den Mond und andere Planeten des Sonnensystems.
Aber im Großen und Ganzen war die überwiegende Mehrheit der Missionen in den Weltraum im Laufe der Jahre – ob mit oder ohne Besatzung – im erdnahen Orbit. Hier befinden sich die riesigen Kommunikations-, Navigations- und Militärsatelliten der Erde. Und hier ist die Internationale Raumstation (ISS) führt ihren Betrieb durch, wo auch heute die meisten bemannten Missionen stattfinden. Was ist also 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 (99 bis 1200 Meilen) über der Erdoberfläche. Jedes Objekt unterhalb dieser Höhe erleidet einen Orbitalzerfall und sinkt schnell in die Atmosphäre ab, wobei es entweder verbrennt oder auf der Oberfläche abstürzt. Objekte in dieser Höhe haben auch eine Umlaufzeit (also die Zeit, die sie brauchen, um die Erde einmal zu umrunden) zwischen 88 und 127 Minuten.
Die Schichten unserer Atmosphäre zeigen die Höhe der häufigsten Polarlichter. Bildnachweis: Wikimedia Commons
Objekte, die sich in einer erdnahen Umlaufbahn befinden, unterliegen dem atmosphärischen Widerstand, da sie sich noch in den oberen Schichten der Erdatmosphäre befinden – insbesondere der Thermosphäre (80 – 500 km; 50 – 310 mi), Thermopause (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 sind die atmosphärische Dichte und der Luftwiderstand.
Jenseits von 1000 km (620 Meilen) unterliegen Objekte jedoch der Erd Van Allen Strahlungsgürtel – eine 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 zu LEO auf Fluglagen zwischen 160 und 1000 km (99 bis 620 Meilen) ab.
Eigenschaften:
Innerhalb der Thermosphäre, Thermopause und Exosphäre variieren die atmosphärischen Bedingungen. Der untere Teil der Thermosphäre (von 80 bis 550 km) enthält beispielsweise die Ionosphäre, die so genannt wird, weil hier in der Atmosphäre Partikel durch Sonnenstrahlung ionisiert werden. Daher muss jedes Raumfahrzeug, das sich in diesem Teil der Atmosphäre bewegt, der UV-Strahlung und der Strahlung harter Ionen standhalten können.
Auch die Temperaturen in dieser Region nehmen mit der Höhe zu, was auf die extrem geringe Dichte seiner Moleküle zurückzuführen ist. Während die Temperaturen in der Thermosphäre bis auf 1500 °C (2700 °F) ansteigen können, bedeutet der Abstand der Gasmoleküle, dass sie sich für einen Menschen, der in direktem Kontakt mit der Luft steht, nicht heiß anfühlen. In dieser Höhe treten auch die Phänomene auf, die als . bekannt sind Nordlicht und Aurara Australis finden bekanntlich statt.
Die Exosphäre, die äußerste Schicht der Erdatmosphäre, erstreckt sich von der Exobase und verschmilzt mit der Leere des Weltraums, wo es keine Atmosphäre gibt. Diese Schicht besteht hauptsächlich aus extrem niedrigen Dichten von Wasserstoff, Helium und mehreren schwereren Molekülen, darunter Stickstoff, Sauerstoff und Kohlendioxid (die näher an der Exobase liegen).
Um eine erdnahe Umlaufbahn aufrechtzuerhalten, muss ein Objekt eine ausreichende Umlaufgeschwindigkeit haben. Für Objekte ab einer Höhe von 150 km muss eine Umlaufgeschwindigkeit von 7,8 km (4,84 mi) pro Sekunde (28.130 km/h; 17.480 mph) eingehalten werden. Dies ist etwas weniger als die erforderliche Fluchtgeschwindigkeit, um in die Umlaufbahn zu gelangen, die 11,3 Kilometer (7 Meilen) pro Sekunde (40.680 km/h; 25277 mph) beträgt.
Trotz der Tatsache, dass die Schwerkraft in LEO nicht wesentlich geringer ist als auf der Erdoberfläche (ca. 90%), befinden sich Menschen und Objekte in der Umlaufbahn in einem ständigen freien Fall, wodurch das Gefühl der Schwerelosigkeit entsteht.
Verwendung von LEO:
In dieser Geschichte der Weltraumforschung war die überwiegende Mehrheit der menschlichen Missionen in der unteren Erdumlaufbahn. Die Internationale Raumstation kreist auch in LEO zwischen einer Höhe von 320 und 380 km (200 und 240 mi). Und LEO ist der Ort, an dem die meisten künstlichen Satelliten eingesetzt und gewartet werden. Die Gründe dafür sind ganz einfach.
Zum einen würde der Einsatz von Raketen und Space Shuttles in Höhen über 1000 km (610 mi) deutlich mehr Treibstoff erfordern. Und innerhalb von LEO erfahren Kommunikations- und Navigationssatelliten sowie Weltraummissionen eine hohe Bandbreite und eine geringe Kommunikationsverzögerung (auch bekannt als Latenz).
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 lang), wodurch sie dieselbe Region auf der Oberfläche mehrmals an einem einzigen Tag sehen können.
Und natürlich sind Objekte in Höhen zwischen 160 und 1000 km von der Erdoberfläche nicht der intensiven Strahlung des Van-Allen-Gürtels ausgesetzt. Kurz gesagt, LEO ist der einfachste, billigste und sicherste Ort für den Einsatz von Satelliten, Raumstationen und bemannten Weltraummissionen.
Probleme mit Weltraummüll:
Aufgrund seiner Popularität als Zielort für Satelliten und Weltraummissionen und mit der Zunahme von Weltraumstarts in den letzten Jahrzehnten wird LEO auch zunehmend mit Weltraummüll überlastet. Dies geschieht in Form von ausrangierten Raketenstufen, nicht funktionierenden Satelliten und Trümmern, die durch Kollisionen zwischen großen Trümmerstücken 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 werden zusätzliche Trümmer erzeugt, die einen zerstörerischen Kreislauf erzeugen, der als Kessler-Effekt bekannt ist – benannt nach dem NASA-Wissenschaftler Donald J. Kessler, der ihn erstmals 1978 vorschlug.
Im Jahr 2013 schätzte die NASA, dass es bis zu 21.000 Schrottstücke geben könnte, die größer als 10 cm sind, 500.000 Partikel zwischen 1 und 10 cm und mehr als 100 Millionen kleiner als 1 cm. Infolgedessen wurden in den letzten Jahrzehnten zahlreiche Maßnahmen ergriffen, um Weltraummüll und Kollisionen zu überwachen, zu verhindern und einzudämmen.
Zum Beispiel war die NASA 1995 die erste Weltraumbehörde, die eine Reihe umfassender Richtlinien zur Eindämmung von Orbitaltrümmern herausgab. 1997 reagierte die US-Regierung mit der Entwicklung des Standardpraktiken zur Minderung von Orbitaltrümmern , basierend auf den NASA-Richtlinien.
Die NASA hat auch die Orbital Debris Program Office , das sich mit anderen Bundesbehörden koordiniert, um Weltraummüll zu überwachen und Störungen durch Kollisionen zu behandeln. zusätzlich US-Weltraumüberwachungsnetzwerk überwacht derzeit etwa 8.000 Objekte im Orbit, die als Kollisionsgefahren gelten, und liefert einen kontinuierlichen Fluss von Orbit-Daten an verschiedene Behörden.
Die Europäische Weltraumorganisation (ESA) Büro für Weltraummüll hält auch die Datenbank und Informationssystem zur Charakterisierung von Objekten im Weltraum (DISCOS), das Informationen zu Startdetails, Orbitalverläufen, physikalischen Eigenschaften und Missionsbeschreibungen für alle derzeit von der ESA verfolgten Objekte bereitstellt. Diese Datenbank ist international anerkannt und wird von fast 40 Agenturen, Organisationen und Unternehmen weltweit genutzt.
Seit über 70 Jahren ist der Low-Earth Orbit der Spielplatz der menschlichen Raumfahrt. Gelegentlich haben wir uns über den Spielplatz hinaus und weiter ins Sonnensystem (und sogar darüber hinaus) gewagt. In den kommenden Jahrzehnten wird erwartet, dass in LEO noch viel mehr Aktivitäten stattfinden, darunter der Einsatz weiterer Satelliten, Cubesats, der weitere Betrieb an Bord der ISS und sogar der Luft- und Raumfahrttourismus.
Unnötig zu erwähnen, dass diese Zunahme der Aktivität erfordert, dass wir etwas gegen den ganzen Müll unternehmen, der die Weltraumwege durchdringt. Da immer mehr Weltraumagenturen, private Luft- und Raumfahrtunternehmen und andere Teilnehmer LEO nutzen möchten, müssen ernsthafte Aufräumarbeiten durchgeführt werden. Und einige zusätzliche Protokolle müssen sicherlich entwickelt werden, um sicherzustellen, dass es sauber bleibt.
Wir haben viele interessante Artikel über das Orbitieren der Erde hier bei Universe Today. Hier ist Was ist die Umlaufbahn der Erde? , Wie hoch ist der Weltraum? , Wie viele Satelliten befinden sich im Weltraum? , Nord- und Südlicht – Was ist eine Aurora? und Was ist die Internationale Raumstation?
Wenn Sie weitere Informationen zur niedrigen Erdumlaufbahn wünschen, sehen Sie sich die Arten von Umlaufbahnen im Website der Europäischen Weltraumorganisation . Hier ist auch ein Link zu Artikel der NASA über die niedrige Erdumlaufbahn .
Wir haben auch eine ganze Episode von Astronomy Cast aufgenommen, in der es darum geht, sich im Sonnensystem fortzubewegen. Hör zu, Folge 84: Das Sonnensystem erkunden .
Quellen:
