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Forscher haben entdeckt, dass bodengebundene seismische Netzwerke – normalerweise zur Aufzeichnung von Erdbeben eingesetzt – auch die akustische Signatur von unkontrolliertem Weltraumschrott erfassen können, wenn dieser die Atmosphäre durchquert. Durch die Analyse dieser seismoakustischen Signale können Wissenschaftler Geschwindigkeit, Flughöhe, Fragmentationsverlauf und mögliche Einschlagzonen rekonstruieren, was ein neues Instrument für die Lageerkennung im Raumfahrtbereich (space situational awareness) bietet.
Beobachterfoto des Wiedereintritts von Shenzhou-15, aufgenommen von Ventura in den USA.
How seismic networks caught Shenzhou‑15's fall
Am 2. April 2024 trat das zurückgelassene Orbitalmodul Shenzhou‑15 über Südkalifornien wieder in die Atmosphäre ein. Mit einem Durchmesser von etwa 2,2 Metern und einer Masse von rund 1,5 Tonnen stellte das Modul ein potenzielles Risiko für die Luftfahrt und – in ungünstigen Fällen – für Personen oder Infrastruktur am Boden dar. Dadurch bot es sich als ein geeignetes Fallbeispiel an, um alternative Verfolgungsmethoden zu testen und die Überwachungsoptionen bei unkontrollierten Wiedereintritten zu erweitern.
Der Planetengeophysiker Benjamin Fernando (Johns Hopkins University) und der Ingenieur Constantinos Charalambous (Imperial College London) überprüften die Hypothese, dass seismische Stationen den akustischen Mach-Kegel aufzeichnen können, den Objekte erzeugen, die sich schneller als der Schall bewegen. Sie werteten öffentliche Daten der Southern California Seismic Network und der Nevada Seismic Network aus und identifizierten seismoakustische Signale, die mit der erwarteten Schallspur des Moduls übereinstimmten. Diese seismischen Aufzeichnungen lieferten zusätzliche, unabhängige Informationen zur bisherigen optischen und radargestützten Überwachung.
Eine Illustration der Schallspur (Mach-Kegel) des fallenden Objekts.
Wenn ein Objekt die Atmosphäre mit Überschall- oder Hyperschallgeschwindigkeit durchdringt, erzeugt es keinen einzelnen isolierten Knall, sondern eine breit gestaffelte Kegelwelle aus komprimierten Druckstößen. Bodengeräte, die empfindlich für Luft-Boden-Kopplung sind – in diesem Fall Seismometer – können den Impuls registrieren, an der Stelle, wo dieser Kegel die Erdoberfläche schneidet. Durch das exakte Timing dieser Ankünfte an mehreren Stationen konnten die Forscher eine präzise Bahn des Abstiegs rekonstruieren und so Trajektorie, Winkel und zeitliche Abfolge von Fragmentationen besser eingrenzen. Diese Methode ergänzt bestehende Reentry-Modelle und kann Unsicherheiten beim Ort von Trümmerfeldern reduzieren.
Die seismische Analyse ergab, dass Shenzhou‑15 beim Wiedereintritt mit etwa Mach 25–30 unterwegs war – konsistent mit seiner vor dem Eintritt zu erwartenden orbitalen Geschwindigkeit von rund 7,8 km/s (≈4,8 mi/s). Zu Beginn des Falls zeigte das seismische Protokoll einen einzelnen, starken Schock; später ging das Signal in eine Serie kleinerer Detonationen über. Dieses Muster korreliert mit Augenzeugenberichten und Telemetriedaten, die darauf hindeuteten, dass das Modul beim Aufheizen fragmentierte und dabei stückweise zerfiel. Solche Details der Fragmentationsdynamik sind für die Abschätzung potenzieller Gefahren auf dem Boden besonders relevant.
Eine Animation, die zeigt, wie die Schockwellen zeitlich versetzt an verschiedenen Orten aufgezeichnet wurden.
Why seismoacoustic tracking matters
Weltraummüll ist ein sich beschleunigendes Problem. Die Europäische Weltraumorganisation (ESA) schätzte im April 2025, dass etwa 1,2 Millionen Objekte mit einer Größe, die potenziell schädlich sein kann, mittlerweile in der Erdumlaufbahn katalogisiert sind – und diese Zahl wird mit zunehmender Anzahl an Satelliten am Ende ihrer Lebensdauer weiterwachsen. Unkontrollierte Wiedereintritte sind dabei besonders schwierig zu handhaben: Ein funktionsuntüchtiges Raumfahrzeug kann nicht gesteuert werden und sein finaler Abstieg kann in Lage, Zeitpunkt und Fragmentationsverlauf unvorhersehbar bleiben.
Seismische Netze sind flächendeckend, zeichnen kontinuierlich auf und viele ihrer Daten sind öffentlich zugänglich. Sie für die Detektion des Mach-Kegels eines wiedereintretenden Objekts zu nutzen, bringt folgende Vorteile: präzise Zeitmarken für Fragmentationsereignisse, Messungen des Abstiegswinkels und der Höhenbereiche, sowie verfeinerte Geschwindigkeitsabschätzungen. Diese Informationen verbessern physikalische Modelle zur Vorhersage, wo Überreste oder aerosolförmige Partikel landen oder verteilt werden könnten. Solche Erkenntnisse sind für Notfallplaner, zivile Luftfahrtbehörden und Einsatzkräfte äußerst wertvoll, weil sie schnellere und gezieltere Reaktionen ermöglichen.
Die Forschenden weisen darauf hin, dass bei sehr großen Fragmenten, die bis zum Boden durchdringen, der physische Einschlag in der Regel vor der Registrierung der zugehörigen Schallereignisse an weit entfernten Stationen erfolgt. Dennoch können seismoakustische Detektionen Suchgebiete deutlich eingrenzen und lokalisieren – häufig schneller als viele traditionelle Methoden. In Kombination mit Radar-, optischer Verfolgung und Reentry-Simulationen entsteht so eine komplementäre Messkette, die die Robustheit der Lageerkennung erhöht und Lücken in der Überwachung schließt. Vor allem in Regionen mit begrenzter Raumüberwachungsinfrastruktur kann diese Methode eine kostengünstige Unterstützung bieten.
Scientific and operational implications
Über die unmittelbare Gefahrenabwehr hinaus liefert der Ansatz wertvolle Daten zur Fragmentationsdynamik: wie Objekte unter extremen aerodynamischen und thermischen Belastungen zerbrechen, welche Teile robust bleiben und wie Massen- und Formänderungen den Luftwiderstand beeinflussen. Diese empirischen Informationen fließen in präzisere Wiedereintrittssimulationen ein, verbessern Risikoabschätzungen für bewohnte Gebiete unter typischen Orbitalabbau-Korridoren und unterstützen effektivere Entsorgungsstrategien für ausgediente Satelliten und Raumfahrzeuge.
Ein weiterer potenzieller Nutzen ist die Detektion aerosolgroßer Partikel, die bei der Zerlegung freigesetzt werden. Feine Partikel können, abhängig von ihrer chemischen Zusammensetzung und der Freisetzungshöhe, lokale Umwelt- oder Gesundheitsauswirkungen haben. Durch die Kopplung seismoakustischer Signaturen mit atmosphärischen Ausbreitungsmodellen lassen sich wahrscheinliche Expositionszonen kartieren und realistische Szenarien für Schadstofftransport berechnen. Diese Verbindung von seismischen Messungen und Atmosphärenmodellierung erweitert damit die Möglichkeiten zur Abschätzung von Umweltrisiken nach Wiedereintrittsereignissen.
Die Arbeit von Fernando und Charalambous demonstriert, dass vorhandene Infrastruktur – seismische Arrays, die ursprünglich für geologische Forschung und Erdbebenüberwachung installiert wurden – mit vergleichsweise geringem zusätzlichem Analyseaufwand für die Raumfahrtlageerkennung umgenutzt werden kann. Diese Wiederverwendung ist besonders vorteilhaft für eine kostengünstige, global verteilte Erfassung unkontrollierter Wiedereintritte, insbesondere dort, wo traditionelle Raumüberwachungsressourcen begrenzt sind oder Lücken aufweisen. Darüber hinaus eröffnet die Methode Möglichkeiten für internationale Zusammenarbeit durch Austausch und gemeinsame Auswertung seismischer Daten.
Expert Insight
„Diese Technik ersetzt weder Radar noch optische Verfolgung, aber sie liefert einen starken, unabhängigen Datenstrom“, sagt Dr. Elisa Moreno, eine hypothetische Astrophysikerin und Spezialistin für Wiedereintrittsanalysen. „Seismische Netze können Lücken füllen, Fragmentationszeitpunkte bestätigen und helfen, wahrscheinliche Trümmerfelder zu lokalisieren, wenn Wiedereintrittsfenster unsicher sind. Für Länder ohne dichte Raumüberwachungsnetze könnten seismoakustische Methoden einen echten Durchbruch bedeuten.“
Analysten warnen zugleich, dass die seismoakustische Detektion am zuverlässigsten für ausreichend große, dichte Fragmente funktioniert, die deutliche Drucksignaturen erzeugen. Kleinere Teile können Signale unterhalb der Rauschgrenze produzieren, und die Kopplung zwischen Luftdruckimpulsen und Bodenbewegung hängt stark von der lokalen Geologie, Oberflächenbeschaffenheit und der Empfindlichkeit der Messstationen ab. Dennoch zeigt der Fall Shenzhou‑15, dass die Methode quantitative Ergebnisse liefern kann – etwa Geschwindigkeitsabschätzungen, Höhenbereiche und Fragmentationszeitpunkte –, die mit Bahnvorhersagen und Telemetriedaten übereinstimmen.
Conclusion
Unkontrollierte Wiedereintritte werden so lange vorkommen, wie sich Trümmer in erdnahen Bahnen ansammeln. Gleichzeitig wächst das Instrumentarium zu ihrer Überwachung. Indem Forscher auf seismische Arrays hören, um die Schallspuren von schnell durch die Atmosphäre fallenden Objekten zu detektieren, lassen sich neue, nutzbare Informationen darüber gewinnen, wie Objekte zerbrechen und wohin Fragmente fallen könnten. Diese Verbindung von Geophysik und Weltraumwissenschaft etabliert eine kostengünstige, breit verfügbare Fähigkeit zur Überwachung von Weltraummüll, zur Reduzierung von Unsicherheiten bei Wiedereintritten und zur verbesserten Unterstützung von Notfall- und Luftfahrtbehörden.
Quelle: sciencealert
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