Seit 2019 ist die Zahl der Satelliten in der Erdumlaufbahn rasant auf heute über 14.000 angestiegen [1] – maßgeblich vorangetrieben durch die Starlink-Telekommunikationssatelliten von SpaceX. Gleichzeitig haben die geplanten Satellitenprojekte sowohl quantitativ als auch hinsichtlich ihrer potenziellen Beeinträchtigungen drastisch zugenommen. „Bislang konnten wir die Situation bewältigen, aber es wird immer kritischer“, betont Olivier Hainaut, der an der Entwicklung von Empfehlungen zur Eindämmung der Auswirkungen von Satellitennetzwerken auf die Astronomie beteiligt ist. Zwar haben Unternehmen wie SpaceX Maßnahmen ergriffen, um die Helligkeit ihrer Satelliten zu reduzieren, doch mit den aktuellen Anträgen ist laut Hainaut „die Grenze dessen überschritten“, was die Astronomie verkraften kann. Hainaut, seit über 30 Jahren Astronom bei der ESO, ist der Autor der von Experten begutachteten (peer-reviewed) Studie über die Auswirkungen von Satellitenkonstellationen, die zur Veröffentlichung in der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics angenommen wurde.

SpaceX plant, eine Million weitere Satelliten für weltraumbasierte Rechenzentren in den Orbit zu bringen, was das Erscheinungsbild des Himmels grundlegend verändern würde. Die neue Studie zeigt, dass über einen großen Teil jeder Nacht hinweg Hunderte und zu bestimmten Zeiten sogar mehrere Tausend Satelliten sichtbar wären – dies entspricht der Anzahl der Sterne, die unter guten Bedingungen mit bloßem Auge zu erkennen sind. Weitere geplante Satellitennetzwerke wie Cinnamon von E-Space sowie die chinesischen Systeme CTC-1 und CTC-2 würden die Erdumlaufbahn um Hunderttausende zusätzliche Satelliten ergänzen und das Problem weiter verschärfen.

Das US-Start-up Reflect Orbital beabsichtigt zudem den Start eines Netzwerks aus sehr großen, spiegelartigen Satelliten. Diese sollen nachts Sonnenlicht reflektieren und Lichtkegel erzeugen, die auf der Erdoberfläche einen Durchmesser von mindestens fünf Kilometern aufweisen. Das Unternehmen plant, noch in diesem Jahr mit einem Prototyp im Orbit zu beginnen und die Flotte bis 2035 auf 50.000 Satelliten auszubauen. Diese Objekte wären die hellsten, die sich je in einer Umlaufbahn befanden – mit gravierenden Folgen für den Schutz des dunklen Nachthimmels. Hainauts Berechnungen zeigen, dass die vollständige Konstellation den Nachthimmel mit Hunderten extrem hellen, sichtbaren Satelliten füllen würde. Direkt aus dem Inneren eines solchen Lichtkegels betrachtet, würde der Sonnenlicht reflektierende Satellit viermal heller erscheinen als der Vollmond. Selbst wenn kein Satellit seinen Strahl direkt auf einen Beobachter richtet, wäre jeder Einzelne so hell wie der Planet Venus, der „Morgenstern“. Aus einer von Lichtverschmutzung betroffenen Stadt wie München wären diese Hunderte von Satelliten die einzigen „Sterne“, die am Nachthimmel überhaupt noch zu sehen wären.

Diese Vorhaben würden in Kombination mit weiteren in der Studie untersuchten Projekten den Nachthimmel drastisch aufhellen. Dies behindert die Fähigkeit der Menschheit, lichtschwache kosmische Objekte zu beobachten – darunter weit entfernte Galaxien, erdähnliche Planeten um andere Sterne und sogar Asteroiden, die der Erde potenziell gefährlich werden könnten.

Helle Spuren und aufgehellter Himmel

Hainaut erklärt: „Von der Sonne beleuchtete Satelliten sind um ein Vielfaches heller als ferne Galaxien. Wenn ein Satellit unser Beobachtungsfeld kreuzt, hinterlässt er einen hellen Streifen auf der Aufnahme und überdeckt alles, was sich dahinter befindet.“

Um das Ausmaß dieses und anderer Effekte von Satellitennetzwerken auf astronomische Beobachtungen zu berechnen, simulierte Hainaut die Positionen, Bewegungen und Helligkeiten aller gegenwärtigen und geplanten Satellitenkonstellationen.

Für das geplante Satellitennetzwerk von SpaceX stellte er fest, dass auf jedem Bild, das zwei Stunden nach Einbruch der Nacht mit dem Very Large Telescope (VLT) der ESO am Paranal-Observatorium in Chile aufgenommen wird, Dutzende von Satellitenspuren auftauchen würden. Dies entspricht einem Verlust des nutzbaren Sichtfeldes von bis zu 28 % [2]. Diese Berechnung setzt voraus, dass die Satelliten so lichtschwach sind, dass sie unter guten Bedingungen nicht mit bloßem Auge zu sehen sind. Sollten sie nur geringfügig heller sein, wären einige Instrumente noch weitaus stärker betroffen: Bei einer Kamera wie der des Vera C. Rubin Observatoriums der US-amerikanischen National Science Foundation (NSF) könnte der Großteil der Aufnahmen für mehrere Stunden pro Nacht unbrauchbar werden [3].

In Hainauts Simulationen wurde davon ausgegangen, dass kein Satellit von Reflect Orbital seinen Lichtstrahl direkt auf oder in die Nähe eines Observatoriums richtet. Dennoch könnte bereits die Spur eines einzigen Spiegelsatelliten eine Beobachtung mit einer Kamera wie der des Rubin-Observatoriums ruinieren. Befände sich die vollständige Flotte von Reflect Orbital im Orbit, ginge jede einzelne Aufnahme einer solchen Kamera verloren, sobald die Satelliten von der Sonne beleuchtet werden.

Es sind jedoch nicht nur die sich kreuzenden Bahnen der Satelliten, die die astronomische Arbeit einschränken; ihr Licht kann den gesamten Himmel verunreinigen. Satelliten, die zu schwach leuchten, um direkt wahrgenommen zu werden, erzeugen einen Schleier aus „diffusem“ Licht, während das Licht hellerer Satelliten beim Durchqueren der Atmosphäre in alle Richtungen gestreut wird. Beide Effekte erhöhen die Hintergrundhelligkeit des Nachthimmels insgesamt. Diese Studie berücksichtigt erstmals die Auswirkungen auf die Astronomie, die durch den Beitrag von Satellitenkonstellationen zur allgemeinen Hintergrundhelligkeit des Himmels entstehen, und offenbart damit das volle Ausmaß der satellitenbedingten Lichtverschmutzung.

Besonders extrem leuchtende Konstellationen wie die von Reflect Orbital hätten einen erheblichen Einfluss auf die Hintergrundhelligkeit des Himmels. Bei einer Gesamtflotte von 50.000 Reflect-Orbital-Satelliten würde der Himmel insgesamt um das Drei- bis Vierfache aufgehellt.

Begrenzung der Satellitenzahl zum Schutz des Nachthimmels

Hainaut kommt zu dem Schluss, dass die geplanten 1,7 Millionen neuen Satelliten drastische Konsequenzen für die erdgebundene Astronomie haben werden. Diese Auswirkungen lassen sich nur abwenden, indem die Gesamtzahl der bestehenden und zukünftigen Satelliten auf 100.000 begrenzt wird. Zudem müssen diese so lichtschwach sein, dass sie von einem dunklen Standort aus nicht mit bloßem Auge wahrgenommen werden können. „Das ist kein starrer Grenzwert im Sinne von: 99.999 ist gut und 100.001 ist schlecht. Natürlich wären mir 50.000 lieber“, sagt Hainaut. „Aber bei 100.000 bewegen sich die Verluste in etwa auf dem Niveau anderer technischer Ausfälle, wie etwa dem Versagen von Geräten.“ Er fügt jedoch hinzu, dass die Satelliten eine scheinbare Helligkeit von schwächer als der Magnitude 7 aufweisen müssen [4]. Sollten einige von ihnen heller sein – also über der Wahrnehmungsgrenze des bloßen Auges liegen –, müsste die zulässige Gesamtzahl deutlich niedriger angesetzt werden.

Sowohl SpaceX als auch Reflect Orbital, die für die weitreichendsten der neuen Anträge verantwortlich sind, haben bei der US-amerikanischen Federal Communications Commission (FCC) Zulassungsanträge für ihre Starts eingereicht. Die neue Studie diente der ESO in Zusammenarbeit mit der britischen Royal Astronomical Society und der Internationalen Astronomischen Union als Grundlage für eine offizielle Stellungnahme an die FCC zu diesen Plänen.

„Die FCC hat über 1.800 Stellungnahmen zu Reflect Orbital und fast 1.500 Kommentare zum Antrag von SpaceX erhalten“, erklärt Betty Kioko, Referentin für institutionelle Angelegenheiten bei der ESO, die die Reaktion der Organisation auf die Anträge koordiniert. „Der Ball liegt nun bei der FCC, und wir warten ab, welche Entscheidungen zu beiden Anträgen getroffen werden. Für die optische Astronomie stellt dies eine existenzielle Bedrohung dar, und wir hoffen, dass die Regulierungsbehörden diese Einschätzung teilen.“

„Die Astronomie erbringt einen enormen Wert für die Menschheit – in wissenschaftlicher, technischer, wirtschaftlicher und bildungspolitischer Hinsicht – und hilft uns, unseren Platz im Universum zu verstehen“, sagt ESO-Generaldirektor Xavier Barcons. „Die große Anzahl geplanter Satelliten in niedrigen Erdumlaufbahnen stellt diese Leistungsfähigkeit infrage. Dies unterstreicht die Notwendigkeit, künftige Satellitenstarts zu begrenzen und erfordert eine enge Zusammenarbeit von Astronomen, Ingenieuren, Satellitenbetreibern und anderen Akteuren, um strenge Gegenmaßnahmen zu ergreifen.“

„Das Aussetzen von Tausenden von Satelliten hat wirtschaftliche, ökologische und astronomische Konsequenzen“, ergänzt Hainaut. Die Lichtverschmutzung durch extrem helle Satellitennetzwerke kann die Gesundheit und das Leben auf der Erde beeinträchtigen, indem sie biologische Rhythmen und Ökosysteme stört. Großkonstellationen wirken sich zudem direkt auf die Luftqualität aus – einerseits durch die zahlreichen Raketenstarts, die für den Aufbau und Erhalt Tausender Satelliten erforderlich sind, andererseits durch die atmosphärische Belastung, die beim Verglühen der Satelliten am Ende ihrer Lebensdauer beim Wiedereintritt entsteht. „Mein Aufgabengebiet ist die Astronomie, daher quantifiziere ich die Effekte auf die Astronomie“, erklärt Hainaut. „Ich hoffe, dass Fachleute anderer Disziplinen die übrigen Auswirkungen in ihren jeweiligen Fachbereichen bewerten.“

Hainaut resümiert: „Die niedrige Erdumlaufbahn ist eine kosmische Küstenlinie, die für das moderne Leben von immensem Wert ist – von der globalen Vernetzung bis hin zu unserem freien Blick in das Universum. Wir müssen den ökologischen und visuellen Fußabdruck dieser Megakonstellationen jedoch regulieren – von der Lichtverschmutzung in der Astronomie bis hin zu den atmosphärischen Effekten beim Wiedereintritt –, um sicherzustellen, dass diese Ressource unberührt und für kommende Generationen zugänglich bleibt.“