Am 4. Oktober 1957 startete die Sowjetunion Sputnik 1, der sich über die Erdatmosphäre erhob und in die Umlaufbahn um unseren Planeten eintrat und ihn alle 90 Minuten umrundete. Unter den extrem niedrigen Lichtverschmutzungsbedingungen, die damals in den meisten Teilen der Welt herrschten, war es das einzige Objekt seiner Art: ein künstlicher, von Menschen gemachter Satellit. Inoffiziell markierte es den Beginn des Weltraumrennens, ein militärisches und politisches Unterfangen, das die internationale Politik für die kommenden Jahrzehnte verbrauchen würde.

Aber Sputnik selbst ist nicht mehr in der Umlaufbahn um die Erde. Tatsächlich war es so kurzlebig, dass die Vereinigten Staaten mit dem erfolgreichen Start von Explorer 1, dem ersten amerikanischen Satelliten im Weltraum, Sputnik 2, der das erste Tier im Weltraum trug, die Erde bereits seit Monaten umkreisten. Aber der ursprüngliche Sputnik war nach über 1400 Umlaufbahnen bereits auf die Erde zurückgekehrt.

Was mit Sputnik geschah, war nicht ungewöhnlich. In der Tat passiert dies mit den meisten Satelliten, wenn Sie sie in eine erdnahe Umlaufbahn bringen und sie dort lassen, um für sich selbst zu sorgen. Mit jeder Umlaufbahn schwingt der Satellit am Apogäum vorbei, wo er seine maximale Entfernung von der Erdoberfläche erreicht, gefolgt von Perigäum, wo er sich der Erde am nächsten nähert. Für eine erdnahe Umlaufbahn bedeutet dies normalerweise, dass sich Satelliten einige hundert Kilometer über der Erdoberfläche befinden, selbst wenn sie am nächsten sind. Wenn man bedenkt, dass wir die Grenze zwischen der Erdatmosphäre und dem Weltraum in einer Höhe von nur 100 Kilometern (62 Meilen) ziehen, scheint es zumindest oberflächlich, dass diese Satelliten fest und ewig im Weltraum wären.

Aber in Wirklichkeit ist die Situation viel komplizierter. Die Atmosphäre hat kein plötzliches Ende oder einen Vorteil. So funktioniert ein Gas nicht, wenn es aus echten Partikeln besteht. Wenn Sie in größere Höhen gehen, sinkt die Dichte der Partikel weiter, aber die verschiedenen Partikel, die durch Kollisionen erhitzt werden, bewegen sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten: einige schneller, andere langsamer, aber mit einer genau definierten Durchschnittsgeschwindigkeit.

Je höher du gehst, desto wahrscheinlicher ist es, dass du Teilchen findest, die energetischer sind, da es mehr Energie braucht, um diese extremen Höhen zu erreichen. Aber obwohl die Dichte in sehr großen Höhen extrem niedrig ist, fällt sie nie auf Null.

Wir haben Atome und Moleküle gefunden, die in Höhen bis zu 10.000 km (6.200 Meilen) gravitativ an die Erde gebunden bleiben. Der einzige Grund, warum wir diesen Punkt nicht überschritten haben, ist, dass die Erdatmosphäre nach 10.000 Kilometern nicht mehr vom Sonnenwind zu unterscheiden ist, da beide aus dünnen, heißen Atomen und ionisierten Teilchen bestehen.Die überwiegende Mehrheit unserer Atmosphäre (nach Masse) befindet sich in den untersten Schichten, wobei die Troposphäre 75% der Erdatmosphäre, die Stratosphäre weitere 20% und die Mesosphäre fast alle der verbleibenden 5% enthält. Aber die nächste Schicht, die Thermosphäre, ist unglaublich diffus.

Während ein atmosphärisches Teilchen auf Meereshöhe eine mikroskopische Strecke zurücklegt, bevor es mit einem anderen Molekül kollidiert, ist die Thermosphäre so diffus, dass ein typisches Atom oder Molekül dort oben einen Kilometer oder mehr zurücklegen kann, bevor es zu einer Kollision kommt.

Oben in der Thermosphäre scheint es sicher wie ein leerer Raum, wenn Sie nichts als ein winziges Atom oder Molekül sind. Schließlich bist du aus der Erdatmosphäre aufgestanden, du verweilst in diesem Abgrund niedriger Dichte, während du auf dem Höhepunkt deiner parabolischen Umlaufbahn bist, und du fällst langsam und schließlich unter der Kraft seiner Schwerkraft auf deinen Heimatplaneten zurück.

Aber wenn Sie ein Raumschiff sind, erleben Sie etwas ganz anderes. Die Gründe sind wie folgt:

1. Sie steigen nicht nur von der Erde auf, sondern umkreisen sie, was bedeutet, dass Sie sich in eine andere Richtung bewegen als die schwachen atmosphärischen Partikel.Da Sie sich in einer stabilen Umlaufbahn befinden, müssen Sie sich schnell bewegen: etwa 7 km / s (5 Meilen pro Sekunde), um im Weltraum zu bleiben.
2. Und Sie haben nicht mehr nur die Größe eines Atoms oder Moleküls, sondern die Größe eines Raumfahrzeugs.

Alle drei Dinge zusammen führen zu einer Katastrophe für jeden umlaufenden Satelliten.

Eine solche Katastrophe ist aufgrund des Satellitenwiderstands unvermeidlich, mit dem quantifiziert werden kann, wie viel Geschwindigkeit ein Satellit im Laufe der Zeit aufgrund der atmosphärischen Partikel verliert, auf die er bei hohen Relativgeschwindigkeiten trifft. Jeder Satellit in einer erdnahen Umlaufbahn hat eine Lebensdauer von einigen Monaten bis zu einigen Jahrzehnten, jedoch nicht länger. Sie können dies bekämpfen, indem Sie in höhere Höhen gehen, aber selbst das wird Sie nicht für immer retten.Jedes Mal, wenn es Aktivitäten auf der Sonne gibt, wie Sonnenflecken, Sonneneruptionen, koronale Massenauswürfe oder andere Ausbrüche, erwärmt sich die Erdatmosphäre. Heißere Teilchen bedeuten höhere Geschwindigkeiten, und höhere Geschwindigkeiten schweben in immer höhere Höhen und erhöhen die Dichte der Atmosphäre sogar im Weltraum. In diesem Fall fallen sogar Satelliten, die praktisch schleppfrei waren, in Richtung Erde zurück. Magnetische Stürme können auch die Luftdichte in extrem großen Höhen erhöhen.

Und dieser Prozess ist kumulativ, in dem Sinne, dass ein Satellit, wenn er Widerstand erfährt, sein Perigäum in immer niedrigere Höhen fällt. Jetzt, in diesen niedrigeren Höhen, wird die Widerstandskraft noch weiter erhöht, und das führt dazu, dass Sie Ihre kinetische Energie verlieren, die Sie noch schneller im Orbit hält. Die eventuelle Todesspirale könnte Tausende, Zehntausende oder sogar Hunderttausende von Umlaufbahnen erfordern, aber mit nur 90 Minuten pro Umlaufbahn bedeutet dies, dass jeder erdnahe Satellit höchstens Jahrzehnte lebt.

Dieses Fall-Back-to-Earth-Problem war nicht nur ein Problem für die frühen Satelliten der 1950er Jahre, sondern bleibt ein Problem für fast alle Satelliten, die wir je gestartet haben. 95% aller von Menschen geschaffenen Satelliten befinden sich in einer erdnahen Umlaufbahn, einschließlich der Internationalen Raumstation und des Hubble-Weltraumteleskops. Wenn wir diese Raumschiffe nicht regelmäßig verstärken würden, wären viele von ihnen bereits wieder auf die Erde abgestürzt.

Sowohl Hubble als auch die ISS hätten weniger als 10 Jahre in ihren aktuellen Umlaufbahnen, wenn wir sie einfach sterben ließen. Und wenn große Satelliten dies tun, machen sie das, was wir einen unkontrollierten Wiedereintritt nennen. Idealerweise verbrennen sie in der Atmosphäre oder fallen in den Ozean, aber wenn sie zerbrechen und / oder Land treffen, könnten sie eine Katastrophe verursachen. Dies kann von Sachschäden bis hin zum Verlust des Lebens reichen, abhängig von der Lage und Größe des Aufpralls der Trümmer.

Hubble muss dieses Schicksal am Ende seines Lebens jedoch nicht erleiden. Wie Michael Massimino, einer der Astronauten, der Hubble 2009 zum letzten Mal an Bord des Space Shuttles bediente, berichtete:

Seine Umlaufbahn wird zerfallen. Das Teleskop wird in Ordnung sein, aber seine Umlaufbahn wird es der Erde immer näher bringen. Dann ist das Spiel vorbei.

Hubbles letzte Wartungsmission beinhaltete einen Andockmechanismus, der auf dem Teleskop installiert wurde: das Soft Capture and Rendezvous System. Jede richtig ausgestattete Rakete könnte sie sicher nach Hause bringen.

Aber für die mehr als 25.000 anderen Satelliten in der erdnahen Umlaufbahn gibt es keinen kontrollierten Wiedereintritt. Die Erdatmosphäre wird sie zerstören und sich weit über den künstlichen Rand des Weltraums oder die Kármán-Linie hinaus erstrecken, die wir normalerweise zeichnen. Wenn wir heute aufhören würden, Satelliten zu starten, dann gäbe es in weniger als einem Jahrhundert keine Spur mehr von der Präsenz der Menschheit in der erdnahen Umlaufbahn.

Sputnik 1 wurde 1957 gestartet und fiel nur drei Monate später spontan aus der Umlaufbahn und zur Erde zurück. Die Partikel aus unserer Atmosphäre erheben sich weit über jede künstliche Linie, die wir gezogen haben, und beeinflussen alle unsere erdumlaufenden Satelliten. Je weiter Ihr Perigäum ist, desto länger können Sie dort oben bleiben, aber desto schwieriger wird es, Signale von hier an der Oberfläche zu senden und zu empfangen. Bis wir eine treibstofffreie Technologie haben, um unsere Satelliten passiv anzukurbeln, um sie in einer stabileren Umlaufbahn zu halten, wird die Erdatmosphäre weiterhin die zerstörerischste Kraft für die Präsenz der Menschheit im Weltraum sein.