Neue Supercomputersimulationen zeigen, dass die Aufrechterhaltung stabiler Satellitenumlaufbahnen zwischen Erde und Mond weitaus schwieriger ist als bisher angenommen. Von einer Million simulierter Raumfahrzeuge blieben über einen Zeitraum von sechs Jahren weniger als 10 % lebensfähig, was erhebliche Hürden für den Ausbau der Orbitalinfrastruktur über den niedrigen Erdorbit (LEO) hinaus verdeutlicht.
Die Cislunar-Herausforderung: Jenseits der niedrigen Erdumlaufbahn
Der Aufstieg von Megakonstellationen wie Starlink von SpaceX und Thousand Sails aus China hat die Anzahl der Satelliten im LEO rapide erhöht. Während sich LEO der Sättigung nähert – Schätzungen gehen von einer maximalen Kapazität von etwa 100.000 Satelliten aus, bevor die Kollisionsgefahr steigt – richtet sich die Aufmerksamkeit auf den cislunaren Raum – die Region zwischen Erde und Mond – als nächste Grenze für den Einsatz von Satelliten.
Cislunarbahnen sind jedoch von Natur aus instabil. Im Gegensatz zu LEO, wo die Gravitationskräfte relativ vorhersehbar sind, werden Raumfahrzeuge in dieser Region in komplexen Wechselwirkungen von der Erde, dem Mond und der Sonne angezogen. Aufgrund der fehlenden magnetischen Abschirmung der Erde sind Satelliten auch destabilisierender Sonnenstrahlung ausgesetzt.
Supercomputer-Modellierung: Eine Aufgabe mit 1,6 Millionen CPU-Stunden
Um die Stabilität der cislunaren Umlaufbahn zu kartieren, verwendeten Forscher des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) die Supercomputer Quartz und Ruby, um die Flugbahnen von etwa einer Million Objekten zu simulieren. Die Simulationen, die 1,6 Millionen CPU-Stunden (entspricht 182 Jahren auf einem einzelnen Computer) erforderten, wurden in nur drei Tagen abgeschlossen.
Die Ergebnisse sind eindeutig: Ungefähr 54 % der simulierten Umlaufbahnen blieben mindestens ein Jahr lang stabil, aber nur 9,7 % überlebten den gesamten sechsjährigen Simulationszeitraum. Dies unterstreicht, dass die Langzeitstabilität im cislunaren Raum deutlich geringer ist als bisher angenommen.
Die Unvollkommenheiten der Erde: Ein subtiler, aber entscheidender Faktor
Ein überraschendes Ergebnis war der Einfluss des ungleichmäßigen Gravitationsfeldes der Erde. Die Simulationen ergaben, dass die Massenverteilung der Erde nicht gleichmäßig ist; Die Schwerkraft variiert geringfügig aufgrund geografischer Gegebenheiten (z. B. geringere Schwerkraft über Kanada). Diese „Klecksigkeit“ wirkt sich subtil auf die Umlaufbahnen aus und fügt eine weitere Ebene der Komplexität hinzu.
Implikationen und zukünftige Erforschung
Trotz der geringen Überlebensrate identifizieren die Simulationen immer noch etwa 97.000 potenziell stabile Umlaufbahnen im cislunaren Raum. Noch wichtiger ist, dass der Datensatz unschätzbare Erkenntnisse darüber liefert, warum bestimmte Umlaufbahnen ausfallen, was es Ingenieuren ermöglicht, zukünftige Designs zu verfeinern. Studienleiter Travis Yeager sagte: „Zu erfahren, welche Umlaufbahnen nicht funktioniert haben, ist genauso wertvoll wie zu wissen, welche es getan haben.“
Der cislunare Raum wird zu einer kritischen Region für die zukünftige Infrastruktur, einschließlich Mondkolonien und erweiterter Kommunikationsnetze. Das Verständnis der Orbitalinstabilität ist der erste Schritt, um diese Expansion realisierbar zu machen.
