Klumpen aus Kupfernadeln umkreisen heute noch die Erde. Bild: Autor, stuffin.space.

Derzeit regen sich die Astronomen weltweit darüber auf, dass Elon Musk gerade dabei ist, etliche tausend kleine Satelliten in die Erdumlaufbahn zu schießen, um die ganze Welt mit Internet zu versorgen – Projekt Starlink. Abgesehen davon, dass die Satelliten Himmelsaufnahmen ruinieren und ihre Signale Radioteleskope stören, stellen sie auch eine nicht unerhebliche Risikoquelle für die Entstehung von Weltraumschrott dar, denn bereits unter den ersten 60 Stück waren 5 dabei, die schon nach dem Start nicht funktionierten – bei 12.000 geplanten Satelliten ist das eine Menge potenzieller Schrott. Schon einmal musste die ESA einen großen Satelliten aus dem Weg eines kleinen Starlink-Satelliten herausmanövrieren, weil SpaceX sich weigerte, ihren Satelliten ausweichen zu lassen. Mit jeder Kollision nimmt der Weltraumschrott zu und es wird immer schwerer, weitere Kollisionen zu vermeiden – Objekte unter 10 cm können kaum von der Erde aus verfolgt werden, aber einen Satelliten durchaus zerstören, wenn sie ihn mit mehreren Kilometern pro Sekunde treffen, was weiteren Schrott produziert. Im schlimmsten Fall könnte die Trümmerzahl exponentiell wachsen, in einer Kettenreaktion den Großteil aller Satelliten vernichten und den Orbit zu einem nicht mehr nutzbaren Minenfeld machen – das Kessler Syndrom.

Unter diesen Gesichtspunkten mutet ein Projekt des US-Militärs aus den frühen 1960er Jahren umso abenteuerlicher an: Projekt West Ford. Dieses wollte der Erde einen Ring aus hunderten Millionen kleiner Kupferantennen verpassen.

 

Satelliten-Steinzeit

Funkwellen breiten sich normalerweise nur geradlinig aus, das heißt Empfänger hinter dem Horizont befinden sich im Funkschatten. Lediglich im Kurzwellenbereich (und mit Einschränkungen im Langwellenbereich) ist es möglich, Signale um die Erdkrümmung herum zu senden, weil diese Frequenzen an der Ionosphäre, einer leitenden Schicht in der Hochatmosphäre oberhalb 80 km, und auch am Erdboden reflektiert werden und so im Zickzack die ganze Erde umrunden können (Langwelle breitet sich hingegen über eine Welle durch den Erboden aus). Allerdings gilt dies nur im Kurzwellenbereich zwischen 3 und 50 MHz, und der davon zu einer Zeit nutzbare Frequenzbereich ändert sich mit der Tageszeit, der Jahreszeit und hängt vor allem von der Sonnenaktivität ab, die die Dichte von geladenen Teilchen in der Ionosphäre und die Dichte der Hochatmosphäre beeinflusst. Die Qualität solcher Verbindungen ist schon durch die schwankenden Pegel und Reichweiten anderer Sender auf der gleichen Frequenz (z.B. Kurzwellen-Radiostationen), die als Störer wirken, sehr unzuverlässig für eine militärische Kommunikation. Um mit U-Booten oder fernen Truppen Nachrichten auszutauschen, ist sie kaum geeignet.

Kurzwellenfunk (ca. 3-50 MHz) wird an der Ionosphäre und am Boden reflektiert und kann somit Empfänger hinter dem Horizont erreichen. Bild: Sebastian Janke, Wikimedia Commons, CC-BY-SA 2.5.

Um Telefongespräche und Daten in akzeptabler Qualität von einem Kontinent zum anderen zu übertragen, waren die USA und Europa in erster Linie auf durch den Atlantik verlegte unterseeische Kabelstrecken angewiesen. Diese Kabel wären im Falle einer militärischen Auseinandersetzung – man befand sich bekanntlich im kalten Krieg mit der Sowjetunion – ein leichtes Ziel. Unterwasserbomben konnten sie mühelos kappen. Hierin sah das Militär ein großes Risiko.

So suchte man nach alternativen Möglichkeiten zur interkontinentalen Kommunikation per Funk. 1946, lange vor dem ersten künstlichen Erdsatelliten Sputnik 1, gelang es Wissenschaftlern, Funksignale am Mond zu reflektieren, aber durch die große Entfernung und ein folglich schwaches Empfangssignal sowie der nur halbtäglichen Verfügbarkeit des Mondes war dies kein brauchbarer Kommunikationskanal. 1960 starteten die Amerikaner ihren ersten primitiven Kommunikationssatelliten: Echo 1. Es handelte sich dabei um einen Ballon aus einer mit Aluminium bedampften Polyesterfolie, die durch Sublimation eines Feststoffes im All auf 30 m Durchmesser aufgeblasen wurde und somit den Verlust von Füllgas durch von Mikrometeoriten verursachte Punktierungen der Hülle in Grenzen ausgleichen konnte. Echo 1 umkreiste die Erde in ca. 1600 km Höhe. Mit Echo 1 gelang es, Mikrowellen-Signale zwischen der West- und der Ostküste der USA über 4000 km Entfernung hinweg auszutauschen und später auch TV-, Radio- und Telefonübertragungen über den Atlantik. Der Satellit hielt sich immerhin bis 1968 im Orbit und hatte 1964 mit Echo 2 noch einen größeren, verbesserten Nachfolger, der die Erde bis 1969 in 1000-1300 km Höhe umkreiste. Aber auch hier waren die Funkstrecken nur zeitweise und zudem kurzfristig verfügbar, so dass es bei Experimenten blieb.

Der 41 m durchmessende Ballonsatellit Echo 2 bei einem Belastungstest im Hangar im Januar 1964. Bild: NASA-Standardlizenz.

Weltraum-Nadeln

Das wohl verrückteste Kommunikationssystem ersann aber Walter E. Morrow 1958 an den Lincoln-Laboren des Massachusetts Institute of Technology (MIT), einer Forschungsstation auf einer Luftwaffenbasis nahe Boston: das Projekt West Ford, auch Westford Needles genannt, benannt nach der Ortschaft Westford, Massachusetts, wo die Lincoln Labs eine Parabolantenne installiert hatten. Ziel des Projekts war, die Erde mit einer Art “künstlichen Ionosphäre” zu umgeben, einem radio-reflektierenden Ring aus kleinen Kupferdrahtnadeln. Dieser wäre vor sowjetischer Sabotage sicher und nicht von den Unbilden der Sonnenaktivität abhängig. Die Nadeln sollten 1,78 cm Länge und 25,4 Mikrometer Durchmesser haben (etwa vergleichbar dem Durchmesser eines Kopfhaares), und somit für Mikrowellen von 8 Gigahertz (Wellenlänge 3,75 cm) wie kleine Dipolantennen wirken. In ihnen würden von der Westford-Schüssel hinauf gesendete Funkwellen die Elektronen genau im Takt der 8-GHz-Welle hin- und her schwingen lassen. Dadurch strahlten die Dipole Wellen in alle Richtungen aus. Durch die Überlagerung vieler Wellenfronten von zahlreichen Dipolen würde das Signal wie an einem Spiegel reflektiert werden, Einfallswinkel = Ausfallswinkel. Damit würde man Signale von den USA nach Europa und zurück reflektieren können. Die Dipole sollten die Erde in mittlerer Höhe von 3000 bis 4000 km umkreisen – je näher sie der Erde waren, desto stärker wäre das Signal, allerdings nimmt mit Höhe auch der Horizontradius und somit die überbrückbare Reichweite ab. Wegen der in dieser Höhe nur rund dreistündigen Umlaufzeit könnte man die Dipole nicht ortsfest über einem Punkt der Erde halten, also müsste man einen kompletten Ring von ihnen um die Erde legen, um jederzeit Funkkontakt herstellen zu können. Mit drei solchen um 60° gegeneinander versetzten Ringen in polaren Umlaufbahnen, unter denen sich die Erde weiter dreht, würde man eine permanente Verfügbarkeit der Funkstrecke sicherstellen können.

Radioastronomen liefen allerdings Sturm gegen das Programm, weil sich fürchteten, dass die West Ford Nadeln die Signale ferner Radioquellen abschirmen würden. Außerdem machten Wissenschaftler auf die Problematik des Weltraummülls aufmerksam, der zukünftige Satelliten gefährden könnte. Die Regierung berief sich darauf, dass da oben am Himmel sehr viel Platz sei und man lieber das Risiko trage, gelegentlich einen zukünftigen Satelliten zu verlieren, als von den Kommunisten überrannt zu werden.  Den Radioastronomen versprach man, dass die Kupfernadeln in einer niedrigen Höhe kreisen würden und nach zwei Jahren durch den Druck des Sonnenwindes in die Atmosphäre gedrückt und verglühen würden. Man würde dann zunächst Ergebnisse sammeln und auswerten und dann weitersehen.

Es blieb nicht bloß bei Plänen – am 21. Oktober 1961 startete eine Atlas-Agena als Huckepack neben einem militärischen Aufklärungssatelliten den West Ford 1 “Dispenser” (engl. Spender) (Bild) mit 480 Millionen Kupfernadeln (20 kg Masse) an Bord. Der Dispenser-Satellit sollte einen Behälter mit den Westford-Nadeln via eines Sprungfedermechanismus rasch rotierend aussetzen, aus dem sie sich langam lösen, durch die Rotation fortgeschleudert werden und gleichmäßig im Orbit verteilen sollten. Die Nadeln waren dazu in Naphtalin, einem leicht sublimierenden Gel auf der Basis von Erdöl, eingelassen, aus dem sie sich bei seiner Verdunstung im All allmählich lösen sollten. Die russische Tageszeitung Prawda titelte “Die USA versauen den Weltraum”. Aber die Mission misslang: der Dispenser trennte sich anscheinend nicht von der Oberstufe und das Aussetzen der Nadeln schlug fehl.

Am 9. Mai 1963 nahm das Militär einen zweiten Anlauf, der gelang. Bis Juli 1963 verteilten sich die knappe halbe Milliarde Nadeln als 15 km breiter und 30 km dicker Torus um die Erdkugel. Bereits am 14. Mai, als die Nadeln noch dichter beieinander waren, unternahm man den ersten Kommunikationsversuch zwischen zwei 18,5 m durchmessenden Mikrowellen-Schüsseln in Kalifornien und Massachusetts. Es wurden digitale Sprachsignale mit ca. 20 kbit/s ausgetauscht – deutlich mehr Datenrate als bei GSM (6,5-13 kbit/s), aber damals verwendete man noch keine hochgezüchtete, komprimierte Kodierung wie im heutigen Mobilfunk, und dann sind 20 kbit/s nicht viel – normale Telefonqualität benötigt 8000 Symbole zu 8 bit pro Sekunde um Sprache bis 4 kHz zu übertragen – macht 64 kbit/s. Dementsprechend wurde das Sprachsignal als “verständlich” beschrieben. Am 2. Juli 1963 wurde das Experiment beendet. Die Weltraumnadeln hatten sich nun auf 400 m mittleren Abstand voneinander entfernt und die Sprachqualität war noch viel schlechter geworden – aber man hatte gezeigt, dass das Prinzip funktionierte. Es brauchte nur genug Nadeln.

Zum Glück war der Erfolg aktiver Nachrichtensatelliten so groß, dass das heftig kritisierte Projekt nicht weiter verfolgt wurde. Der britische Radioastronom Sir Bernard Lovell wurde Ende Mai 1963 in einer Zeitung zitiert “Der Schaden liegt nicht nur in diesem Experiment alleine, sondern in der mentalen Einstellung, die es ohne internationales Abkommen und Absicherungen möglich gemacht hat.” Die USA hatten sich nicht erst nach diesem Experiment, sondern insbesondere nach der Zündung einer Kernwaffe im Weltraum (Starfish Prime), die mit ihrem elektromagnetischen Puls die Straßenbeleuchtung auf Hawaii lahmlegte und in deren Folge sieben Satelliten funktionsunfähig wurden, einen Ruf als Weltraum-Rowdies erworben. Das Westford-Projekt wurde sogar vor die Vereinten Nationen gebracht und führte 1967 unter dem Eindruck von Starfish Prime schließlich zum Beschluss des Weltraum-Vertrags, der die Nutzung des Weltraums bis heute regelt. Die Westford-Ingenieure waren jedoch von ihrem Konzept überzeugt und gaben den sie kritisierenden Wissenschaftlern die Schuld an der Einstellung des Projekts.

 

Und wenn sie nicht zerstoben sind, dann kreisen sie noch heute

Was wurde aber aus den Weltraumnadeln? Die meisten von ihnen dürften den Beobachtungen und theoretischen Erwägungen nach bis 1970 in der Atmosphäre abgebremst worden und auf den Boden gerieselt sein – zum Verglühen waren sie zu leicht. Man hatte sogar darüber nachgedacht, sie zu wissenschaftlichen Zwecken im Eis der Arktis zu suchen, um mehr über die Bedingungen im Weltraum zu lernen – etwa 5 Stück erwartete man pro Quadratkilometer im ewigen Eis zu finden. Man unterließ die aufwändige Suche dann allerdings aus Kostengründen.

Im Naphthalin hatten aber auch etliche Nadeln direkten Metallkontakt untereinander, und der kann, wie wir heute wissen, im Vakuum dazu führen, dass sie miteinander verschweißt werden und verklumpen. Solche Klumpen verbleiben viel länger auf der mittleren Umlaufbahn. Der amerikanischen Weltraumüberwachung NORAD sind tatsächlich über 40 Westford-Klumpen bekannt, deren heutige Umlaufbahnen sie ihn ihrer Datenbank über Weltraumschrott verzeichnet hat. Eine Studie der ESA aus dem Jahr 2001 kommt gar zu dem Schluss, dass die fehlgeschlagene Mission von 1961 tausende weiterer Klumpen freigesetzt haben könnte, von denen viele zu klein zur Verfolgung von der Erde aus sein dürften. Dennoch machen die Westford-Nadeln nur einen Bruchteil des gesamten Weltraumschrotts aus.

Und nun scheint sich die Geschichte in Form von Starlink in gewisser Weise zu wiederholen. Bleibt zu hoffen, dass dieses Projekt genau so glimpflich ausgeht.

 

Referenzen

Kommentare (14)

  1. #1 Michael
    9. Januar 2020

    So wie jeder anständige Kapitalist nutzt auch Musk öffentliche Ressourcen, da er weiß, dass gegebenenfalls hinter ihm aufgeräumt wird, ohne seinen Profit zu schmälern.

    Kapitalismus: Profite werden privatisiert, Verluste sozialisiert.

  2. #2 Chemiker
    9. Januar 2020

    So ganz verstehe ich den militärischen Nutzen dieses Projekts nicht. Wenn diese West­ford-Na­deln wirk­lich flä­chen­deckend aus­ge­setzt wor­den wä­ren, dann hät­te ja je­der sie zur Lang­strecken-Kom­mu­ni­ka­tion nutzen kön­nen, auch die Russen.

  3. #3 Captain E.
    9. Januar 2020

    @Chemiker:

    Egal, ob der Gegner damit kommunizieren kann, Hauptsache, man kann es selber. So oder so ähnlich scheint man gedacht zu haben.

    Gehen übrigens nicht auch Mittel- und Langwellen rund um die Erde? Mit Lang- bzw. Längstwellen arbeitet das Militär ja noch heute. Aufgrund ihrer relativ hohen Eindringtiefe ins Wasser kann man so mit getauchten U-Booten kommunizieren. Da man per Langwelle quasi mit jedem Punkt auf der ganzen Erde sprechen kann, gibt es nur noch wenige Anlagen. Eine, vielleicht sogar die effizienteste, steht im Saterland.

    Übrigens geht dieser Tage natürlich viel Datenverkehr durch die Seekabel, zumindest zwischen Europa und Nordamerika.

  4. #4 Christian Berger
    9. Januar 2020

    @Chemiker: Manchmal ist das durchaus gewünscht. Das war ja der kalte Krieg, da wollte man auch für den Fall vorsorgen, dass der Gegner nicht mehr kommunizieren kann, denn eine Strategie ist es bei Verlust des Kontaktes zur Zentrale einfach los zu feuern.

    Übrigens war das bei weitem nicht die verrückteste Möglichkeit über den Horizont zu funken. Es gibt auch “Troposcatter”. Da sendet man mit irrsinnigen Leistungen auf den Horizont und hofft darauf, dass die Atmosphäre einen Teil davon zurück wirft. Damit wurden zum Beispiel die Richtfunkstrecken Florida-Kuba sowie eine zwischen Westdeutschland und Westberlin realisiert.

    Das Hauptproblem bei der Kurzwelle ist übrigens weniger dass die Kanäle nicht stabil sind, sondern dass man da nur geringe Bandbreiten hat. Ein Fernsehbild kann man (meistens) nicht über Kurzwelle übertragen.

  5. #5 Alderamin
    9. Januar 2020

    @Chemiker

    Neben dem, was Captain und Chemiker schon gesagt haben: die Russen hatten ja keinen Atlantik zu überwinden, sondern das ganze Territorium zwischen Wladiwostok und der innerdeutschen Grenze war unter ihrer Kontrolle, und es gab Leitungsverbindungen und Richtfunkstrecken ohne Ende. Lediglich bei der Kommunikation mit U-Booten oder Kuba hätten sie davon profitiert. Aber es war halt wichtiger für die Amerikaner, selbst kommunizieren zu können, als die anderen daran zu hindern. Dafür gibt es dann ggf. wieder andere Methoden (Jamming – Überlagerung des Funkkanals mit Störsignalen). Und vor dem Mithören schützt man sich durch Verschlüsselung.

  6. #6 Alderamin
    9. Januar 2020

    @Captain E.

    Gehen übrigens nicht auch Mittel- und Langwellen rund um die Erde?

    Mittelwelle reicht etwas weiter als UKW dank einer Bodenwelle, die um die Erdkrümmung herum läuft. In den 1970ern hörten wir hier im Rheinland alle Radio Luxemburg auf Mittelwelle. Langwelle reicht noch weiter (ca. 1000 km) aber definitiv nicht um den ganzen Globus. Vielleicht mit sehr geringer Datenrate bestenfalls ein paar tausend Kilometer, man kann da tricksen (fehlerkorrigiernde Codes).

  7. #7 Alderamin
    9. Januar 2020

    @Christian Berger

    Übrigens war das bei weitem nicht die verrückteste Möglichkeit über den Horizont zu funken. Es gibt auch “Troposcatter”.

    Noch abgefahrener, aber wenig zuverlässig, ist Meteor Scatter – die Reflexion von Signalen an Meteor-Spuren (die ja ein leitendes Plasma erzeugen). Dazu schreibe ich demnächst vielleicht auch mal was. Amateure nutzen den Effekt zur Zählung von Meteoren bei Meteorschwärmen – man stelle einen Radiosender ein, der normalerweise hinter dem Horizont nicht zu hören ist, und zähle die Zeiten, wenn er zu hören ist. Damit kann man Meteorraten schätzen, auch am hellen Tag.

    Das Hauptproblem bei der Kurzwelle ist übrigens weniger dass die Kanäle nicht stabil sind, sondern dass man da nur geringe Bandbreiten hat.

    Das ist richtig, aber mit den Westford Needles war es auch bei 8 GHz illusorisch, TV übertragen zu wollen. In den Quellen stand jedenfalls, die Unzuverlässigkeit des Ionosphärenfunks bei wechselnder Sonnenaktivität habe das Westford-Projekt motiviert.

  8. #8 Captain E.
    9. Januar 2020

    @Alderamin:

    Mittelwelle reicht etwas weiter als UKW dank einer Bodenwelle, die um die Erdkrümmung herum läuft. In den 1970ern hörten wir hier im Rheinland alle Radio Luxemburg auf Mittelwelle. Langwelle reicht noch weiter (ca. 1000 km) aber definitiv nicht um den ganzen Globus. Vielleicht mit sehr geringer Datenrate bestenfalls ein paar tausend Kilometer, man kann da tricksen (fehlerkorrigiernde Codes).

    UKW geht doch gerade heraus aus der Atmosphäre, oder? Schlecht für die Reichweite, aber gut für die Qualität – und Sender unter dem Horizont stören nicht wirklich.

    Was nun die Reichweite der Längstwellensender angeht, scheint die etwas größer zu sein. Die US Navy betreibt zur Kommunikation mit ihren U-Booten wohl nur noch einen einzigen Sender, die Marinefunkstelle Cutler. Allerdings sendet sie auch über das deutsche Gegenstück, die von mir schon erwähnte Marinefunksendestelle Rhauderfehn. Mit ihrem sumpfigen Untergrund und der daraus resultierenden besonderen Leitfähigkeit des Westermoors erzielt Rhauderfehn angeblich eine gute Erdung, und die Längstwellen können sich ob des flachen Geländes gut ausbreiten. Empfangbar soll der Sender weltweit sein, und das bis zu einer Wassertiefe von 30 Metern.

    Wäre das nicht mal wieder ein schöner Artikel für dich alten Fernmeldeprofi? 😉

  9. #9 Alderamin
    9. Januar 2020

    @Captain E.

    Ok, ich hatte kurz bei Wikipedia nachgeschaut und da stand 1000 km, was auf Rundfunk bezogen ist – wie gesagt, bei geringer Datenrate und tiefen Frequenzen mag es ausreichen für die U-Boote.

    Ich hatte von Hause her eher mit Mikrowellen zu tun – habe meine Doktorarbeit über Satellitenkommunikation im 20/30-GHz-Bereich geschrieben. Uplink power control, punktierte Fehlercodes, dynamische Slotzuteilung in TDMA-Systemen und dergleichen.

    Noch mehr Artikel über’s Militär schreiben? Nachher lande ich noch in einer Schublade… 😉

  10. #10 Captain E.
    9. Januar 2020

    @Alderamin:

    Ok, ich hatte kurz bei Wikipedia nachgeschaut und da stand 1000 km, was auf Rundfunk bezogen ist – wie gesagt, bei geringer Datenrate und tiefen Frequenzen mag es ausreichen für die U-Boote.

    Ja, man will den U-Booten Befehle erteilen und kein Radio- und Fernsehprogramm übertragen. Mögliche Langeweile müssen die Jungs (und Mädels) halt irgendwie anders bekämpfen. Ich frage mich aber gerade, ob Überwasserschiffe solche Sendungen wohl auch empfangen können? Die können natürlich noch ganz andere Kanäle anzapfen, Satelliten zum Beispiel.

    Ich hatte von Hause her eher mit Mikrowellen zu tun – habe meine Doktorarbeit über Satellitenkommunikation im 20/30-GHz-Bereich geschrieben. Uplink power control, punktierte Fehlercodes, dynamische Slotzuteilung in TDMA-Systemen und dergleichen.

    Aus den Frequenzbereichen von Röntgen- und Gammastrahlung her betrachtet, ist das eh alles eines! 🙂

    Ja, schon klar, “deine” Lieblingsfrequenzen liegen woanders, nicht bei den Lang- und Längstwellen.

    Noch mehr Artikel über’s Militär schreiben? Nachher lande ich noch in einer Schublade…

    Nimm den Umweltschutzaspekt mit hinein! Da sind 540 Hektar feuchter Untergrund, die praktisch frei von Menschen sind. Da wird nichts trockengelegt (könnte der Erdung schaden!), gedüngt oder gespritzt. Da haben sich viele Tier- und Pflanzenarten angesiedelt, die andernorts nicht oder nur noch selten anzutreffen sind. Bei einer Zählung kam man auf 34 Brutvogelarten.

    Und es ist ein lustiges Beispiel dafür, wie sich die vermeintlich von uns Deutschen militärisch dermaßen ausgenutzten Amerikaner dann am Ende doch wieder auf unsere Möglichkeiten verlassen. Die Bedienungsmannschaften wissen, wenn ihre Anlage sendet, aber wer da mit wem reden will, bleibt auch für sie geheim. Alle NATO-Staaten (und vielleicht einige darüber hinaus) dürfen die Anlage nutzen.

  11. #11 Chris
    10. Januar 2020

    Beim Lesen dieses Artikels hatte ich dieses :

    Aha-wow-echt?!-interessant!-bitte-mehr-solcher-Artikel-Gefühl 😀

    Ich nenne es: Alderamin-Effekt 🙂

  12. #12 tomtoo
    11. Januar 2020

    Klasse für einen Action SF.
    Astronaut bei Routine Ausseneinsatz, dann Superslomo von Akkupunktur.

  13. #13 rolak
    11. Januar 2020

    Klasse für

    Geht aber nurmehr bestenfalls für ein prequel in die Planung, tomtoo, die Story ab at least the day after ist ja bekanntermaßen schon durch

  14. #14 Alderamin
    12. Januar 2020

    @Chris

    Danke! Ich freue mich auch, dass meine letzten Artikel gut bei den Lesern ankamen – nicht nur der zu Beteigeuze.