Starlink-Spur auf einer Langzeitbelichtung. Bild: © Andreas Schnabel, mit freundlicher Genehmigung.

Am 24. Mai 2019, fast genau vor einem Jahr, startete SpaceX die ersten 60 Starlink-Satelliten und zog mit seiner Perlenkette aus Satelliten die Aufmerksamkeit auf sich, über die ich zwei Tage später einen Artikel schrieb, der immer noch regelmäßig gelesen wird. Er hat einen Update verdient.

Am 4. Juni wurden wieder 60 Starlinks gestartet. Mittlerweile wurden (abgesehen von den ersten beiden Testsatelliten im Februar 2018) 8 Starts mit je 60 ausgesetzten Satelliten durchgeführt. Der Start vor einem Jahr setzte noch Vorserien-Modelle (V0.9) der Starlink-Satelliten zum Test aus. Seit November folgten dann etwa alle 4 Wochen je 60 operative Satelliten, und in diesem Tempo oder in noch kürzeren Abständen soll es zunächst bis 2027 weitergehen. Mittlerweile wurden 480 Satelliten ausgesetzt von denen 15 nicht mehr in Betrieb und 9 defekte nicht mehr unter Kontrolle sind. Zwei Satelliten wurden zum kontrollierten Absturz gebracht. Ende Juni sollen die nächsten starten.

 

Sichtbarkeit der Starlink-Satelliten

Die Umlaufbahnen der ersten Schale auf 550 km Höhe, die gerade gefüllt wird, sind alle 53° gegen die Erdachse geneigt. Da der Startplatz am Cape Canaveral rund 90° westlich von Deutschland liegt und die Raketen Richtung Nordost gestartet werden, führt die Bahn der startenden Raketen nach 20 Minuten direkt über Europa. 15 Minuten nach dem Start beginnt das Aussetzen der Satelliten. Beim Start am 22. April lag die Startzeit günstig am Abend kurz nach Ende der Dämmerung, so dass die Rakete von Europa aus beim Aussetzen der Satelliten beobachtet werden konnte.

Bei allem Ärger über die Verunstaltung des Himmels war es faszinierend, den Vorgang im Feldstecher live am Himmel mit ansehen zu können. Man sah die beiden Dispenser (Spender), die die Satelliten nacheinander aussetzen, dicht hinter der Oberstufe, welche beständig Schubstöße abgab, die sich kreisförmig ausbreitende Ringe von leuchtendem Gas erzeugten. Einen Tag später hatten sich die Satelliten zu jener dichten Perlenkette aufgereiht, die Starlink bekannt gemacht hatte, aber viel heller vor einem Jahr, als ich sie kaum hatte erkennen können – es kommt bei der Helligkeit auf die genaue Geometrie von Beobachter, Satellit und Sonne an. Die Satelliten waren ungefähr so hell die Sterne im Großen Wagen, ca. 2. bis 3. Größenklasse.

Starlink-Kette über Tübingen. Bild: Wikimedia Commons, Dktue, gemeinfrei.

Die Satelliten werden von den Dispensern zunächst auf einer elliptischen Bahn mit 210-280 km minimaler und 380 km maximaler Höhe ausgesetzt. Ihre operativer Orbit ist 550 km, und auf diesem sollen sich gleichmäßig verteilen, um die ganze Erde mit Funknetz abzudecken. Die ersten 20 eines jeden Starts beginnen sofort mit dem Aufstieg vermöge ihrer Ionentriebwerke und erreichen ihre endgültige Bahn nach 45 Tagen. Die übrigen 40 zirkularisieren ihre Bahn zunächst auf 380 km Höhe und werden dort geparkt. Die zweite Gruppe von 20 verweilt 35 Tage auf dieser Bahn, bevor sie mit dem 45-tägigen Aufstieg beginnt, die dritte sogar 70 Tage. Die ellipsoide Form der Erde sorgt während dessen dafür, dass die Linie, in der die Bahnebene die Äquatorebene der Erde schneidet, nach Westen rotiert (Präzession der Bahnebene), so dass die drei Gruppen auf gegeneinander versetzten Bahnen enden. Auf diese Weise kann ein Start drei Bahnen mit je 20 Satelliten beliefern. Für die erste Schale waren 72 Bahnen zu je 22 Satelliten geplant, das sind 158. Auf einer zweiten Schale in 1100 km Höhe sollen dann noch einmal 1600 folgen und weitere Schalen auf 1100, 1300 und 350 km mit je bis zu 2500 Satelliten.

Derzeit sind knapp 12000 Starlink-Satelliten von der amerikanischen Telekommmunikations-Behörde Federal Communications Commission FCC bereits genehmigt, die bis Ende 2027 in den Orbit geschossen werden sollen, bzw. laut Vorgabe der FCC müssen. Nach Berechnungen von Hainaut und Williams [1] werden damit zu jeder beliebigen Zeit etwa 520 von ihnen über dem Horizont sein (die Arbeit kommt sogar auf 1600, wenn alle geplanten Megakonstellationen zusammen genommen werden, das sind derzeit 26750 Satelliten). Nicht alle Satelliten über dem Horizont sind dabei von der Sonne beleuchtet, sondern in Abhängigkeit vom Winkel der Sonne unter dem Horizont befinden sich mehr oder weniger von ihnen noch im Sonnenlicht, was die Voraussetzung für ihre Sichtbarkeit ist. Während der nautischen Dämmerung, wenn die ersten Sterne erscheinen bis nur noch die Westhälfte des Himmels dunkelblau ist, sind es 95%-85%. In der Phase der astronomischen Dämmerung, in unseren Breiten ca. 90 bis 120 Minuten nach Sonnenuntergang (zwischen Mitte bis Ende Mai und Mitte bis Ende Juli endet sie gar nicht) sind es noch 85%-75%.

Was das bedeutet, zeigt die folgende Simulation von Michael Vlasov:

Die Satelliten sind allerdings nicht so auffällig wie im Video. Für’s bloße Auge ist ihr Anblick subtiler:

Das gilt allerdings erst, wenn sie auf ihrer endgültigen Umlaufbahn angekommen sind. Vorher sind sie etwa so hell wie die Sterne des großen Wagens, der im Video im Kopfstand zu sehen ist, und manchmal auch wesentlich heller. Je nach Geometrie erreichen sie 1. Größenklasse und mehr, d.h. sie sind so hell wie die hellsten Sterne am Himmel. Manchmal blitzen sie auf und übertreffen kurzzeitig sogar die Helligkeit der Venus. Mehrfach sah ich Ketten von Satelliten über 20 und mehr Minuten, die in einigen Grad Abstand alle derselben Bahn folgten und die Helligkeit der Sterne im Orion übertrafen. Nach einigen Minuten wird aus Interesse dann Überdruss. Genug, es reicht, wann hört das endlich auf?

Diese hellen, langen Ketten haben wohl die meisten Leser auf meinen ersten Artikel aufmerksam gemacht, und sie haben auch für die eine oder andere UFO-Meldung gesorgt. Warum das so ist, darauf komme ich gleich zurück.

Wenn sie auf 550 km Höhe sind, werden die Starlinks deutlich dunkler, rund 4.5 Größenklassen. Das ist etwa die Helligkeit des “Reiterleins” Alkor, dem kleinen nahen Begleitsterns des mittleren Deichselsterns Mizar im Großen Wagen. Dunkel genug, um am Himmel in der Stadt nicht bemerkt zu werden aber hell genug, um bei mäßig dunklem Himmel am Stadtrand noch deutlich erkennbar zu sein.

Viel stärker betroffen sind die Amateur- und professionelle Astronomie. Große Optiken und lange Belichtungszeiten machen auch unscheinbare Satelliten hell und auffällig. Als ich neulich nach der kurz zuvor gestarteten Crew-Dragon mit einem 80×15-Feldstecher Ausschau hielt, flogen mehrfach Satelliten auf der gleichen Bahn von Südwest nach Nordost durch das Blickfeld, während die Crew-Dragon etwa gleich hell war und von Nordwest nach Südost flog – und das obwohl erst 420 Satelliten im Orbit waren. Die Bahnen verliefen tief am Westhorizont, und mit bloßem Auge waren bei hellem Mondschein weder die Dragon noch die Starlinks zu sehen, aber 80 mm Öffnung sammeln rund das 150-fache an Licht wie das bloße Auge, das sind 7 Größenklassen an Gewinn, da erschienen sie trotz atmosphärischer Dämpfung heller als die hellsten Sterne fürs bloße Auge.

 

Hässliche Strichspuren

Die folgenden Aufnahmen von Amateuren und Profis zeigen, wie Starlink Himmelsaufnahmen photobombt:

Kette von Starlink-Satelliten im Aufstieg auf ihre finale Bahn. Durch die Belichtungszeit von mehreren Sekunden werden die punktförmigen Satelliten zu Strichen in die Länge gezogen.
Bild: © Andreas Schnabel, mit freundlicher Genehmigung.

 

Vor allem die Profis werden durch die Satelliten gestört, wie beispielsweise das ASAS-SN-Projekt (All-Sky Automated Survey for SuperNovae), das, wie der Name schon sagt, mit zahlreichen kleinen Teleskopen von 14 cm Öffnung den gesamten Himmel nach Supernovae in fernen Galaxien absucht. Die Supernovae werden automatisch dadurch aufgespürt, dass beim Vergleich von zu verschiedener Zeit gemachten Aufnahmen im später aufgenommenen Bild neue Sterne auftauchen. Die Satellitenspuren stören dabei die Bildauswertung erheblich. Eine helle Strichspur, wie die rechts im Bild, sättigt die Pixel und kann nicht mehr herausgerechnet werden. Bild: © ASAS-SN, mit freundlicher Genehmigung.

 

Gleich mehrere Starlink-Gruppen durchzogen die Aufnahmen eines tschechischen Amateurastronomen, als er den Kometen C2019 Y4 ATLAS aufnehmen wollte. Man sieht deutlich, das einige der Satelliten rechts der Bildmitte grell aufleuchteten. Komposit aus 6x120s mit 100mm/1,4-Teleobjektiv auf Nikon D810a.
Bild: © Zdenek Bardon, mit freundlicher Genehmigung.

 

19 Spuren der zweiten Gruppe von Starlink-Satelliten vom November 2019. Aufnahme des 4-m-Blanco-Teleskops des Cerro Tololo Inter American Observatory mit 5 1/2 Minuten Belichtungszeit.
Bild: Wikimedia Commons, NSF’s National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory/CTIO/AURA/DELVE, CC BY-SA 4.0

Analyse der Auswirkungen auf die professionelle Astronomie

Wie groß ist die Auswirkung auf die professionelle Astronomie? Dieser Frage haben Olivier Hainaut und Andrew Williams von der Europäischen Südsternwarte einen Aufsatz [1] gewidmet. Die Autoren modellierten dabei die Satelliten als Scheiben von 1,5 m Durchmesser mit 25% Reflexionsvermögen. Im folgenden Diagramm sind zunächst die von ihnen berechneten Punkthelligkeiten der Starlink-Satelliten für verschiedene Umlaufbahnen (verschiedenfarbige durchgezogene Linien) über dem Winkelabstand vom Zenit, dem Punkt senkrecht über dem Beobachter, aufgetragen. 0° Zenitabstand bedeutet, der Satellit befindet sich direkt im Zenit, 90° bedeuten, er befindet sich am Horizont. Je höher die Bahn, desto dunkler ist der Satellit, weil er weiter vom Beobachter entfernt ist (dunkler heißt, der Größenklassen-Zahlenwert ist größer). Und ebenso wird der Satellit dunkler, wenn er einen größeren Zenitabstand hat, was nicht nur am längeren Lichtweg durch die Atmosphäre auf der Sichtlinie zum Satelliten liegt, sondern vor allem daran, dass er auch in diesem Fall mit größerem Zenitabstand zunehmend weiter entfernt ist; ein Effekt, der bei niedrigen Umlaufbahnen größer ist als bei hohen. Die orangefarbene Kurve entspricht etwa den Beobachtungen der ersten Starlinks auf ihrer 550-km-Bahn. Die blaue entspricht der geplanten niedrigen Schale. Das Aussetzen in rund 210 km Höhe (nicht im Diagramm) wäre extrapoliert etwa maximal 2,2 Größenklassen hell – die Helligkeit der Sterne des Großen Wagens (sic!).

Helligkeit der Starlink-Satelliten in Größenklassen über dem Zenitabstand (also dem Winkel zwischen Zenit und Satellit: 0°=Satellit im Zenit, 90°=Satellit am Horizont) für verschiedene Bahnhöhen. 550 km die operative Höhe der ersten Starlink-Schale. Später sind noch Schalen in 350 und 1100-1300 km geplant. Die gestrichelten geraden Linien entsprechen Sichtbarkeitsschwellen des bloßen Auges bei mäßiger und ohne Lichtverschmutzung. Bild: [1], arXiv.

Nun verwenden die Astronomen ihre Teleskope nicht mehr zum Beobachten mit dem bloßen Auge, sondern sie machen lang belichtete Fotos. Der Satellit bewegt sich dabei durch das Bild und verursacht eine Strichspur, wie oben gesehen. Da er nicht die ganze Zeit dieselben Pixels belichtet, wie die nachgeführten Sterne das tun, erscheint die Strichspur dunkler als die Punkthelligkeit des Satelliten. Hier der Effekt für verschiedene Bahnhöhen und Zenitabstände:

Einfluss der Satellitenbewegung auf die Helligkeit seiner Strichspur auf einer fotografischen Aufnahme. Links: die Winkelgeschwindigkeit nimmt zum Zenit hin zu, der Satellit bewegt sich schneller über den Himmel; er ist dort aber auch näher und somit heller. Rechts: die effektive Helligkeit der Strichspur in Abhängigkeit vom Zenitabstand. Der Summeneffekt aus Entfernung und Winkelgeschwindigkeit kompensiert sich fast exakt und die Strichspuren sind für alle Winkel gleich hell. Für 300 km bzw. 500 km Höhe ergeben sich Strichspuren von 12,2m und 12,7m. Bild: [1], arXiv.

Die Satelliten bewegen sich in Zenitnähe deutlich schneller über den Himmel, einerseits weil sie näher sind und eine pro Sekunde zurückgelegte Strecke von ca. 8 km somit größer erscheint, und andererseits, weil sie sich dort tangential zum Beobachter bewegen, während bei größeren Zenitabständen ein Teil ihrer Geschwindigkeit radial in Richtung zum Beobachter erfolgt. Deswegen sollten sie im Zenit eigentlich eine dunklere Strichspur verursachen. Da sie dort jedoch heller sind, wird die Helligkeitsabnahme durch die schnellere Bewegung fast perfekt kompensiert und die Strichspur ist für alle Zenitabstände gleich hell. Für Bahnhöhen von 300 km bzw. 500 km ergeben sich effektive Helligkeiten  von 12,2m und 12,7m. Schon Amateurfernrohre erreichen mit Kameras 17m bis 20m. Großteleskope erreichen 25m bis 28m.

Die effektive Helligkeit im Vergleich zu den Sternen nimmt allerdings mit der Belichtungszeit ab. Wenn die Belichtungszeit vergrößert wird, werden die Sterne im Bild heller, aber der Satellit flitzt ja nur kurz durch das Bild und seine Spur bleibt unverändert. Vergleicht man die Helligkeit von Sternen auf der Aufnahme mit denen der Satellitenspur, so erscheint die Satellitenspur bei zunehmender Belichtungszeit nur noch so hell wie zunehmend schwächere Sterne:

Effekt der Belichtungszeit auf die effektive Helligkeit der Strichspur über der Orbitalhöhe. Die Sterne gewinnen durch längere Belichtungszeit an Helligkeit, die Strichspur nicht. Damit erscheinen bei langen Belichtungszeiten zunehmend schwächere Sterne gleich hell wie die Strichspur – ihre effektive Helligkeit nimmt folglich ab. Beispiel: in 500 km Höhe erscheint die Spur bei 1s Belichtungszeit so hell wie Sterne von 12,7m (unterste blaue Kurve bei 500 km), bei 1000s Belichtungszeit nur noch ca. 20m (oberste violette Kurve bei 500 km).
Bild: [1], arXiv.

Allerdings nimmt die Wahrscheinlichkeit mit zunehmender Belichtungszeit zu, dass überhaupt ein Satellit durch das Bild flitzt. Und bei Großteleskopen erscheinen die Spuren so hell, dass die Pixel gesättigt werden, typischerweise über die fünffache Breite der Unschärfe durch die Turbulenz in der Atmosphäre (“Seeing”), also 5 Bogensekunden (laut [1]). Das Bild ist dann ruiniert.

Hainaut und Williams haben analysiert, welche Beobachtungen wie stark von den Starlink-Strichspuren betroffen wären. Dabei verglichen sie verschiedene Beobachtungstechniken. Besonders hart trifft es das am Vera C. Rubin Observatorium, ehemals Large Synoptic Survey Telescope (LSST) genannt, ein Weitwinkel-Teleskop mit einem 8-Meter-Spiegel, das derzeit in den chilenischen Anden gebaut wird. Es soll unter anderem nach Asteroiden und Kometen suchen, insbesondere solchen, die auf Kollisionskurs mit der Erde sein könnten, und dafür ist es auch wichtig, in relativer Sonnennähe zu beobachten, weil manche der Objekte aus Richtung der Sonne auf uns zu kommen. Das heißt, dass kurz nach Einbruch der Dunkelheit oder kurz vor der Morgendämmerung der West- bzw. Osthimmel beobachtet werden muss. LSST hat ein riesiges Blickfeld von 6,5 Monddurchmessern und während der nautischen Dämmerung würde sich auf jeder zweiten Aufnahme eine Satellitenspur wiederfinden. Im chilenischen Sommer wäre selbst um Mitternacht noch 1/6 des beobachteten Himmels im Bereich von 60° Zenitabstand von Strichspuren betroffen. Nur Nächte im Winter wären unbeeinträchtigt:

Analyse von Hainaut und Williams, wie stark die professionelle Astronomie von Starlink beeinträchtigt werden würde. In den Spalten links typische Beobachtungstechniken, entsprechende Instrumente und deren Blickfelder in Bogenminuten – 30 Bogenminuten entsprechen dem Winkeldurchmesser von Sonne oder Mond. Daneben die typische Belichtungszeit in Sekunden. Rechts der Anteil der Aufnahmen bei zufälliger Beobachtungsrichtung mit bis zu 60° Zenitabstand (zMax; “zdmax” ist wohl ein Tippfehler im Preprint auf arXiv), der durch Starlink-Strichspuren beeinträchtigt wäre, in Abhängigkeit vom Winkel der Sonne unter dem Horizont (negative Zahlen ganz oben). Neben Tageslicht sind bürgerliche Dämmerung (Sonne 0°-6° unter dem Horizont), nautische Dämmerung (6°-12°), astronomische Dämmerung (12°-18°) und astronomische Nacht (>18°) hervorgehoben. Wie tief die Sonne unter den Horizont sinken kann, ist abhängig von der Jahreszeit und der geographischen Breite. Im deutschsprachigen Raum steht die Sonne im Sommer nachts nie tiefer als ca. -12,5° bis -18,5°, der größte Teil dieser Breiten hat dann “Mitternachtsdämmerung”. Das Large Synoptic Survey Telescope (LSST) liegt auf 30° Süd und dort sinkt die Sonne im Sommer nachts nicht unter -36,5°, d.h. selbst um Mitternacht wären 16,2% = 1/6 des Himmels von Starlink-Spuren betroffen. Bild: [1], arXiv.

Soviel zu Elon Musks ursprünglicher Aussage, die Satelliten seien nachts ja im Erdschatten…

 

Gegenmaßnahmen

Was kann man dagegen tun? Amateure nutzen normalerweise Stacking von zahlreichen Aufnahmen, d.h. viele Einzelaufnahmen werden zu einem Bild aufaddiert. Dabei gibt es verschiedene Additionstechniken. Häufig wird “Kappa-Sigma-Clipping” benutzt: hierbei werden nur Pixel addiert, deren Helligkeit in allen Aufnahmen in einem gewissen Bereich um den Mittelwert liegt (Standardabweichung Sigma multipliziert mit einem frei wählbaren Faktor Kappa). Pixel, die nur auf Einzelbildern hell sind, werden aussortiert. Damit kann man unbewegliche Objekte aufnehmen und Satelliten- oder Flugzeug-Spuren unterdrücken lassen, aber eine Asteroidenspur oder einen Meteor lässt diese Technik ebenfalls verschwinden. Außerdem wird der Bereich unter der Strichspur effektiv nicht so lange belichtet wie der Rest des Bildes, so dass sich keine exakten Helligkeitsmessungen durchführen lassen. Deswegen taugt die Methode für Profiaufnahmen normalerweise nicht. Die einfachste Methode ist am Ende, die Bilder mit Strichspuren auszusortieren. Wenn aber wie beim LSST 50% der Bilder betroffen wären, wäre das viel zu viel Ausschuss.

Alternativ könnte man die Belichtung beim Durchfliegen eines Satelliten durch kurzes Schließen des Kameraverschlusses unterbrechen, was alle Pixel gleichermaßen beträfe und die Belichtungszeit für alle gleich hielte. Das wäre technisch machbar, die Bahnen der Satelliten sind bekannt und ein Durchfliegen des Blickfelds könnte vorausberechnet werden, aber es würde immense Kosten verursachen, alle Sternwarten nachträglich mit entsprechender Hard- und Software auszustatten.

 

Die Lösung von SpaceX

Elon Musk hat auf die Proteste der Astronomen reagiert und versprochen, das System werde “Null Einfluss” (zero impact) auf die Forschung der Astronomen haben. Der erste Ausbesserungsversuch war allerdings nur mäßig erfolgreich: Man lackierte die weißen Antennenflächen auf der Unterseite des Satelliten mit einem dunklen Anstrich. Ein einziger Satellit dieser Art, “DarkSat” genannt, war beim ersten operativen Start im November 2019 mit dabei. Enttäuschenderweise war er nach dem Start genau so hell wie alle anderen auch. Erst als er schließlich im Frühjahr seine finale Bahn erreichte, war er um den Faktor 2 dunkler als die anderen, was 0,75 Größenklassen entspricht [2]. Allerdings schien es thermische Probleme mit dem Satelliten zu geben, denn obwohl 50% Verdunklung ja besser wäre als gar keine, wurde keiner der 360 in Folge gestarteten Satelliten mehr als DarkSat ausgeführt.

Bei der Stalink-Variante “DarkSat” wurden die weißen Phase-Array-Antennen unter dem Chassis dunkel lackiert. Dies minderte die Helligkeit im Visuellen auf ca. die Hälfte, verursachte jedoch thermische Probleme und verlagert die Abstrahlung lediglich in den Infrarot-Bereich. Bild: SpaceX.

Ende April veröffentlichte SpaceX auf seiner Webseite eine Analyse und Ankündigung [3], wie das Problem endgültig gelöst werden soll. Der Grund, weshalb die Satelliten in der Aufstiegsphase manchmal so hell seien, liege an den Solarzellen-Paneelen. Diese seien nämlich während der Parkphase und des Aufstiegs parallel zum Erdboden ausgerichtet (Konfiguration “offenes Buch”), um möglichst wenig Luftwiderstand zu verursachen, denn in 220-380 km Höhe ist noch Restatmosphäre vorhanden. Wenn sie von der unter dem Beobachterhorizont stehenden Sonne angestrahlt werden, reflektiere ihre weiße Unterseite das Sonnenlicht in Richtung Boden. Die genauen Abmessungen der Satelliten sind nicht bekannt, jedoch wurden von Amateuren aufgrund von Fotos der beladenen Dispenser 2,43,2 m Länge und 1,1-1,6 m Breite bei nur 20 cm Höhe geschätzt. Die Solarzellen-Paneele werden im All ausgefaltet, haben laut SpaceX-Grafiken die Breite der längeren Seite des Satelliten, bestehen aus 6 Segmenten und könnten somit bis zu 9,6 x 3,2 m messen! Dann verwundert die große Helligkeit der Starlinks nicht mehr – sie haben den Querschnitt eines Omnibusses! Hier eine Aufnahme des niederländischen Astrofotografen Ralf Vandebergh, die ganz deutlich zeigt, dass das Solarpaneel das Problem ist:

Normalerweise ist die Reflexion an den Solarpaneelen nur diffus – man sieht sie, weil ihre aus Gründen der Temperaturregelung weiße Rückseite vom Sonnenlicht beleuchtet wird. Wenn die Geometrie von Beobachter, Satellit und Sonne zufällig genau so passt, dass der Beobachter die Sonne in den Solarzellen gespiegelt sieht, kommt es zu den wenige Sekunden dauernden “Flares”, wie man sie schon von den alten Iridium-Satelliten kannte, und dann können Helligkeiten von -5m und heller erreicht werden. Erst auf der operativen Bahn werden die Solarsegel senkrecht zum Erdboden aufgerichtet (Konfiguration “Haifischflosse”) und sind dann prinzipiell durch das Chassis (“Satellitenbus”) von unten gesehen verdeckt. Bei Haifischflossenkonfiguration der Solarzellen ist die Rückseite von der Sonne weggerichtet und Spiegelungen der dem Horizont stehenden Sonne werden nach oben und damit von der Erde weg gelenkt.

Links: auf ihrer operativen Bahn (“on station”) sind die Solarzellen senkrecht zum Erdboden ausgerichtet (Konfiguration”Haifischflosse”). Rechts: während des Aufstiegs liegen die Solarpaneele hingegen waagerecht mit den Zellen nach oben und der aus thermischen Gründen weiß lackierten Rückseite nach unten (Konfiguration “offenes Buch”). Die riesige weiße Fläche von schätzungsweise 30 qm verursachte die große Helligkeit der Satelliten beim Aufstieg. Bild: SpaceX.

SpaceX hat nun angekündigt, die aufsteigenden Satelliten so zu rollen, dass sie während der Park- und Aufstiegsphase stets mit der Kante in Richtung Sonne ausgerichtet sind – Konfiguration “Messerschneide”. Damit werden ihre Seitenflächen nicht von der Sonne angestrahlt. Dies schränke die Stromversorgung der Satelliten mit Sonnenlicht ein (ich nehme an, man tut dies nur in der Dämmerungszone, der Satellit benötigt ja Strom) und verkürze die Zeiten der Funkverbindung mit der Bodenstation. Dies sei eine leichte Modifikation, die lediglich einer kleinen Software-Änderung bedürfe.

Von nun an will SpaceX die Satelliten beim Aufstieg so rotieren lassen, dass die Sonne das Solarpaneel nur von der Kante beleuchtet, was die Helligkeit stark reduziert, aber auch die Versorgung mit Solarstrom und die Erreichbarkeit per Funk einschränkt. Auf “on station” Position ist die Antenne senkrecht zum Boden und vom Satellitenchassis verdeckt. Bild: SpaceX.

Auf dem finalen Orbit seien die größten Reflexionsquellen am Satelliten die weißen quadratischen Phase-Array-Antennen und kleine weiße Schüsselantennen an der Seite des Satelliten. Diese müssten weiß sein, um Überhitzung im Sonnenlicht zu vermeiden. Das Experiment mit dem DarkSat habe zwar eine Verdunklung von 55% erbracht, was beinahe reichte, um den Satelliten für das bloße Auge unsichtbar zu machen, wirke jedoch nicht im Infraroten (heiße Flächen strahlen besonders hell). Das verlagert das Problem für die Profis nur auf andere Frequenzen. Stattdessen habe man einen neuen Satellitentyp, “VisorSat”, mit ausklappbaren Sonnenblenden aus radiodurchlässigem Schaumstoff ausgestattet, die ihren Schatten auf die Antennenflächen und den größten Teil der Unterseite des Satelliten werfen und ihn damit für das bloße Auge unsichtbar machen würden (das Ziel ist wohl 7m, wie ich anderswo gelesen habe; das sind 3 Größenklassen weniger als bisher, ein Fünfzehntel der jetzigen Helligkeit).

Man habe sich dabei mit der American Astronomical Society und dem Vera C. Rubin Observatorium (LSST) abgestimmt, das als problematischster Fall gelte, und sich von letzterem eine Zielvorgabe für die Helligkeit setzen lassen, nach der sich die Ingenieure gerichtet hätten. Es sei allerdings unmöglich, die Helligkeit so weit zu reduzieren, dass die Satelliten auf den Aufnahmen des Vera C. Rubin Observatoriums gar nicht mehr zu sehen sein würden. Jedoch werde die Saturierung der Pixel vermieden. Kritisch seien nur noch die ersten Stunden nach einem Start, bevor die Satelliten ihre Orientierungen nach anfänglichem Taumeln stabilisiert hätten, und für diese Phasen werde man weiterhin die Bahnelemente der Satelliten veröffentlichen, so dass die Sternwarten ihre Beobachtungsplanung danach richten könnten.

Die neu entwickelte Variante “VisorSat”, die beim Start am 4. Juni 2020 erstmalig mit dabei war, soll die hellen Antennen und große Teile der Unterseite des Chassis durch ausklappbare Sonnenblenden aus radiodurchlässigem Schaumstoff vor der Sonnenbestrahlung schützen und den Satelliten wirksam verdunkeln, ohne thermische Probleme oder Infrarotabstrahlung zu verursachen. Bild: SpaceX.

Beim Start am 4. Juni war ein VisorSat dabei, und bei allen folgenden Starts sollen nur noch solche zum Einsatz kommen, wie Elon Musk bei einer Online-Pressekonferenz am 30. April erläuterte [4]. Die bisher gestarteten Satelliten würden binnen 3-4 Jahren alle ersetzt werden (in der Tat haben die ersten 60 vom Mai 2019 begonnen, ihre Bahnen abzusenken). Außerdem bemüht sich SpaceX in einer aktuellen Anfrage beim FCC darum, die Orbits von 2824 genehmigten Satelliten auf 1100-1330 km – diese Satelliten sind besonders lange im Sonnenlicht (allerdings auch 0,75 Größenklassen dunkler) – auf 540-570 km zu verlegen.

 

Was bringt es wirklich?

Ich habe mir eben den Effekt der “Messerschneiden-Konfiguration” bei den am 4. Juni gestarteten Satelliten selbst angeschaut, die am 06. Juni bei mir gegen 23:30 fast durch den Zenit flogen. Verglichen mit gleich hellen Sternen hatten sie eine Helligkeit von ca. 6m, was schon bedeutend dunkler als die 2m und mehr der vorherigen Starts war. Bei visuell noch dunkelblauem Himmel durch die gegen Ende der nautischen Dämmerung 11° unter dem Horizont stehende Sonne waren sie nicht mehr sichtbar, aber im Feldstecher dennoch kein Problem. Gelegentlich blitzten die Satelliten noch um eine Größenklasse auf. Die Strichspuren werden auf Astrofotografien damit immer noch zu sehen sein und ca. 13,5m hell sein – dünne Linien bleiben, die mit Kappa-Sigma-Clipping oder Aussondern der Bilder kompensiert werden müssen. Zero impact würde ich das nicht nennen wollen.

Wie sich der VisorSat auf der endgültigen Bahn schlägt, wird sich spätestens in ein paar Monaten zeigen, wenn er seinen finalen Orbit erreicht hat. Wunder sollte man nicht erwarten. Ich verstehe auch nicht das Argument, dass das Satellitenchassis das Solarpaneel stets vollständig verdecken können soll. Das mag stimmen, wenn der Satellit im Zenit steht. Bei einer Passage im Süden in 45° Höhe schauen wir jedoch seitlich auf die Zellenseite des von der Sonne angestrahlten Paneels. Zwar dürften keine Flares auftreten, weil das Spiegelbild der Sonne nach oben reflektiert wird, und die Zellenseite ist die dunklere Hälfte, aber diffuse Reflexion wird trotzdem auftreten und sollte den Satelliten im finalen Orbit so gut sichtbar machen wie bisher. Allerdings erreicht das Sonnenlicht diese Gegend des Himmels nur in der nautischen Dämmerung, in der Astrofotografie nur eingeschränkt möglich ist.

Fürs bloße Auge werden die Starlink-Perlenketten nach dem Start jedoch voraussichtlich weitgehend verschwinden und damit wenigstens der Anblick des Himmels mit bloßem Auge nicht völlig verschandelt werden.

Die schlechte Nachricht ist allerdings, dass sich ein anderer Anbieter einer Megakonstellation, das bereits insolvente OneWeb, das gerade einen Käufer sucht, Ende Mai um die Erlaubnis bei der FCC bewarb, seine bisher genehmigten 720 Satelliten auf 1200-km-Orbits um 47844 Satelliten aufzustocken [5] – viermal mehr als Starlink auf einer störenderen Bahn. Falls sich ein Käufer finden sollte, wird es bald sehr eng im niedrigen Erdorbit und die Zahl der Strichspuren auf Astrofotos wird noch einmal drastisch zunehmen. Und über das Kollisionsproblem von außer Kontrolle geratenen Satelliten und die Funkinterferenzen für die Radioastronomie haben wir hier noch gar nicht gesprochen…

 

Überwiegt der Nutzen den Verlust?

Die Anhänger von Elon Musk betonen immer das hehre Ziel, dass das Starlink-System 5G und Internet für alle Menschen auf der Welt verfügbar machen werde, und da müsse die Astronomie halt zurückstecken. Angesichts eines avisierten Monatspreises von $80 scheint dies wenig stichhaltig zu sein, das wäre schon mir als Bewohner eines reichen Landes viel zu teuer – wie sollen sich durchschnittliche Einwohner von Ländern, die keine ausreichende Mobilfunknetz-Versorgung bereitstellen können, solche Gebühren leisten? Falls sich Kundschaft findet, wird der eigentliche Profiteur SpaceX sein. Elon Musk will damit seine ambitionierten Marspläne mit dem Starship querfinanzieren. Tatsächlich unterschrieb SpaceX am 20. Mai einen Vertrag mit der US Army [6], die das System in den nächsten drei Jahren zur Breitbandversorgung testen will. Militärischer Einsatz also – da ist genug Geld abzugreifen. Auf lange Sicht wird die Vermüllung des Himmels wohl nicht aufzuhalten sein.

 

Selber gucken

Wer nach den Starlinks (neu wie alt) Ausschau halten will, sollte die Seite Heavens-Above.com besuchen und seinen Beobachtungsort oben rechts eingeben. Unter dem Link Starlink passes for all objects from a launch kann man dann oben einen der Starttermine auswählen und bekommt eine Liste aller sichtbaren Überflüge der Satelliten diese Starts für die nächsten 24h. Klickt man auf eine Zeile, dann öffnet sich eine Himmelskarte für den jeweiligen Satelliten. Wer sich am Sternhimmel nicht auskennt, kann sich ungefähr an den Himmelsrichtungen und der angegebenen Höhe orientieren. Ein Feldstecher hilft. Unter Dynamic 3D display of all objects from a single Starlink launch kann man sich alle Satelliten eines Starts im Orbit um die Erde anzeigen lassen (funktionierte bei mir jedoch erst nach Anmeldung mit meinem Login).

 

Referenzen

[1] Olivier Hainaut, Andrew Williams, “On the Impact of Satellite Constellations on Astronomical Observations with ESO telescopes in the Visible and Infrared Domains“, Astronomy & Astrophysics, 5. März 2020; arXiv:2003.01992.

[2]  J. Tregloan-Reed, A. Otarola et al., “First observations and magnitude measurement of Starlink’s Darksat“, Astronomy & Astrophysics, 23. April 2020 ; arXiv:2003.07251.

[3] SpaceX, “Starlink Discussion National Academy of Sciences“, SpaceX-Webseite, 28. April 2020.

[4] CENAP, “Raumfahrt – SpaceX to test Starlink “sun visor” to reduce brightness“, CENAP-Webseite, 28. April 2020.

[5] Jon Brodkin, “Bankrupt OneWeb seeks license for 48,000 satellites, even more than SpaceX“, ars Technica, 27. Mai 2020.

[6] Sandra Erwin, “U.S. Army signs deal with SpaceX to assess Starlink broadband“, SpaceNews, 26. Mai 2020.

[7] en.wikipedia.org, “Starlink

Kommentare (7)

  1. #1 tohuwabohu
    7. Juni 2020

    Was haben die Astronomen nur?  Astronomie kostet doch nur Geld.  Mit den Satelliten soll schließlich Geld verdient werden.  Sollen die Astronomen doch mehr eigene Satelliten in den Orbit schicken, wenn sie ungestörte Aufnahmen wollen – da werden die Bilder ohne Wolken und ohne Schlieren durch Luftbewegungen sowieso viel besser.  Zudem kann man in den Städten sowieso kaum Sterne beobachten – und weitab der Städte, wo der Nachthimmel noch dunkel ist, sorgen die Satelliten für einen ganz neuen Anblick, da gibt es dann zu den Fixsternen viele neue Wandelsterne zu entdecken.</sarcasm>

  2. #2 tohuwabohu
    7. Juni 2020

    Der Titel ließ mich hoffen, dass eine Instanz dieses unsäglichen Treiben verboten hätte.
    War leider doch nicht der Fall. 🙁

  3. #3 Captain E.
    8. Juni 2020

    Ich frage mich gerade, was das Militär (bzw. NRO) dazu sagen wird, wenn erst einmal einer dieser Starlink-Satelliten einer ihrer teuren Aufklärungs-, Navigations- oder Kommunikationssatelliten “abschießen” sollte? Was die russische oder chinesische Regierung, wenn es einen ihrer Vögel erwischen sollte?

  4. #4 Spp90
    DD / GER
    9. Juni 2020

    unter dem folgenden Link hat sich jemand die Mühe gemacht um die Verteilung der ganzen Satelliten zu visualisieren.

    https://youtu.be/857UM4ErX9A

  5. #5 Matthias
    USA
    9. Juni 2020

    Wie ist das eigentlich mit der ganzen Geschichte rund um Asteroidenabwehr? Kann es passieren, dass man “ankommende” Asteroiden nicht (rechtzeitig) sieht?

  6. #6 Alderamin
    9. Juni 2020

    @Matthias

    Im Extremfall vielleicht, aber praktisch kann ich es mir nicht vorstellen. Man macht ja nicht nur eine Aufnahme einer bestimmten Himmelsgegend. Selbst wenn ein Asteroid auf einer Aufnahme von einm Starlink-Trail verdeckt wäre oder wenn man die Aufnahme aussortiern würde, dann gäbe es weitere Aufnahmen, in denen er enthalten ist. Man hat ja auch auf Aufnahmen im Weltraum (Raumsonden, Weltraumteleleskope) ständig Spuren kosmischer Strahlung, die herausgerechnet werden müssen. Man wird das schon irgendwie in den Griff bekommen, denke ich.

    Ich finde es trotzdem traurig, dass man bald das Feldstecher-Blickfeld voller sich bewegender Punkte haben wird, die die Aufmerksamkeit auf sich ziehen. Das ist nicht mehr der Himmel, den wir kannten. Ich hoffe, das Geschäftsmodell mit den Satellitennetzen erweist sich am Ende als Flop, dann verschwinden sie wieder, so schnell wie sie gekommen sind.

  7. #7 tohuwabohu
    9. Juni 2020

    @Matthias #5
    Was ist rechtzeitig?  Wenn damit die Evakuierung des Einschlagsgebiets gemeint ist, dann reichen evtl. (je nach Größe) einige Tage bis Wochen.  Falls aber eine irgendwie geartete Ablenkung gemeint ist, dann wären, soweit es überhaupt im Rahmen der aktuellen technischen Möglichkiten liegt, mehrere Jahre notwendig.
    Ein Sprengung wie z.B. im Film “Armageddon – Das jüngste Gericht” (1998) wäre kaum empfehlenswert, da so nur ein Haufen kleinerer Brocken entstände, die das Einschlagsgebiet vergrößern und unberechenbarer machte.

    Wenn ein Asteroid aus einer sehr ungünstigen Richtung kommt, könnte es passieren, dass er erst ziemlich spät (d.h. wenn er schon sehr nah ist) entdeckt wird.

    Derzeit sind wir, selbst bei frühzeitiger Entdeckung, kaum in der Lage etwas gegen einen Asteriodeneinschlag zu unternehmen.  Trotzdem ist Panik nicht angebracht (Panik ist sowieso nie hilfreich), denn die Wahrscheinlichkeit eines Einschlags ist sehr gering.  Die meisten Asteroiden, die es im Sonnensystem gab, wurden bei der Bildung der Planeten verbraucht.  Der größte Teil der heute noch vorhandenen ist (und bleibt) im Asteriodengürtel zwischen Mars und Jupiter bzw. im Kuipergürtel jenseits der Neptunbahn.  Nur sehr wenige größere Objekte kreuzen die Umlaufbahn der Erde.  Viel häufiger “kollidiert” die Erde mit den Staubströmen von Kometerschweifen oder Asteroiden, bei denen dann Meteorschauer (z.B. Quadrantiden, Perseiden, Geminiden) entstehen, bei denen Staub- bis millimetergroße Teilchen in der obersten Luftschichten der Erde verglühen.

    Mir genügt dieses natürliche Himmels-Schauspiel und brauche nicht tausende neue künstliche “Sterne”.