Kollision im All: Wann zerbricht ein Raumfahrzeug?

Mit Simulationen und Experimenten den Zerfall im Orbit verstehen.

April 2026. Die erdnahe Umlaufbahn füllt sich mit Satelliten, ausgedienten Raketenteilen und Weltraummüll. Fragmente mit einer Größe von wenigen Zentimetern können aufgrund der hohen Bahngeschwindigkeiten bereits Satelliten zertrümmern. Trifft ein Bruchstück einen Satelliten, zerbricht er in unzählige neue Fragmente – und jedes davon bedroht andere Raumfahrzeuge im Orbit.

Das Fraunhofer EMI untersucht, wie Satelliten bei Kollisionen in Trümmer zerfallen. Dabei kombinieren die Forschenden Experimente mit numerischen Simulationen.

Mit einem zweistufigen Leichtgasbeschleuniger beschleunigen die Wissenschaftler kleine Objekte auf eine Geschwindigkeit von bis zu acht Kilometern pro Sekunde und stellen so Zusammenstöße realistisch nach. Bei diesem HVI-Experiment (Hypervelocity Impact) traf ein vier Zentimeter großes Fragment auf einen schuhkastengroßen Satelliten – er zerbrach vollständig.

Numerische Simulationen ergänzen die Experimente und erlauben die Analyse unterschiedlicher Arten von Satelliten. Dabei modellieren die Forschenden das Zerbrechen der festen Satellitenstruktur in eine Trümmerwolke durch die Kollision. Zur Simulation der Satellitenzertrümmerung wird eine Diskrete-Element-Methode (DEM) eingesetzt: Millionen kleiner Partikel werden durch Federn miteinander verbunden, um Materialien wie Aluminium oder kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFK) abzubilden. Das ist die Grundlage für die realistische Simulation der physikalischen Prozesse, die den Übergang von der Satellitenstruktur zur Trümmerwolke beschreiben. Mit Grafikprozessoren (GPU) oder parallelisierten CPU-Clustern können sogar große Satelliten bis in den Submillimeterbereich simuliert werden.

Langfristig will das Forscherteam sein Fachwissen in vereinfachte Modelle zur Beschreibung von Satellitenzertrümmerung überführen. Diese Modelle helfen, Risiken im Orbit einzuschätzen und die erdnahe Umlaufbahn sicherer zu machen.

Die Arbeit entstand im Rahmen eines Forschungsvorhabens der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR.