Niedrige Erdumlaufbahn

Ein niedriger Erdorbit ( LEO ) ist ein Orbit um die Erde mit einer Umlaufzeit von 128 Minuten oder weniger (mindestens 11,25 Umläufe pro Tag) und einer Exzentrizität von weniger als 0,25. ^{[ 1 ]} Die meisten künstlichen Objekte im Weltraum befinden sich im LEO, wobei ihre Anzahl in einer Höhe von etwa 800 km (500 Meilen) ihren Höhepunkt erreicht. ^{[ 2 ]} Die am weitesten entfernten Objekte im LEO, vor dem mittleren Erdorbit (MEO), befinden sich in einer Höhe von 2.000 Kilometern, etwa einem Drittel des Erdradius und nahe dem Beginn des inneren Van-Allen-Strahlungsgürtels .

Der Begriff LEO-Region bezeichnet den Weltraum unterhalb einer Höhe von 2.000 km (etwa einem Drittel des Erdradius). ^{[ 3 ]} Objekte, die diese Zone durchqueren, werden sorgfältig überwacht, selbst wenn ihr Apogäum weiter außen liegt oder sie sich suborbital bewegen , da sie ein Kollisionsrisiko für die zahlreichen LEO-Satelliten darstellen.

Die einzigen bemannten Raumflüge, die über den erdnahen Orbit (LEO) hinausgingen, waren die Mondmissionen des Apollo-Programms von 1968 bis 1972 und der Mondvorbeiflug von Artemis II im Jahr 2026. ^{[ 4 ]} Alle Raumstationen operierten bis 2026 in geozentrischen Umlaufbahnen innerhalb des erdnahen Orbits.

Eine Vielzahl von Quellen ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]} definiert den erdnahen Orbit (LEO) anhand seiner Höhe . Die Höhe eines Objekts in einer elliptischen Umlaufbahn kann entlang der Bahn erheblich variieren. Selbst bei kreisförmigen Umlaufbahnen kann die Höhe über dem Erdboden aufgrund der Abplattung der Erdkugel und der lokalen Topographie um bis zu 30 km schwanken (insbesondere bei polaren Umlaufbahnen ) . Obwohl Definitionen, die auf der Höhe basieren, naturgemäß mehrdeutig sind, liegen die meisten innerhalb des Bereichs, der durch eine Umlaufzeit von 128 Minuten vorgegeben ist, da dies gemäß Keplers drittem Gesetz einer großen Halbachse von 8.413 km entspricht. Für kreisförmige Umlaufbahnen entspricht dies wiederum einer Höhe von 2.042 km über dem mittleren Erdradius, was mit einigen der oberen Höhengrenzen in manchen LEO-Definitionen übereinstimmt.

Die LEO-Region wird von einigen Quellen als der Bereich im Weltraum definiert, der von LEO-Orbits eingenommen wird. ^{[ 3 ] [ 8 ] [ 9 ]} Einige stark elliptische Orbits können die LEO-Region in der Nähe ihres erdfernsten Punktes ( Perigäum ) durchqueren, befinden sich aber nicht in einem LEO-Orbit, da ihr erdfernster Punkt (Apogäum) 2.000 km (1.243 Meilen) übersteigt. Auch suborbitale Objekte können die LEO-Region erreichen, befinden sich aber nicht in einem LEO-Orbit, da sie wieder in die Atmosphäre eintreten . Die Unterscheidung zwischen LEO-Orbits und der LEO-Region ist besonders wichtig für die Analyse möglicher Kollisionen zwischen Objekten, die sich selbst nicht im LEO befinden, aber mit Satelliten oder Weltraumschrott in LEO-Orbits kollidieren könnten.

Die mittlere Orbitalgeschwindigkeit, die für einen stabilen niedrigen Erdorbit erforderlich ist, beträgt etwa 7,8 km/s (4,8 mi/s), was 28.000 km/h (17.000 mph) entspricht. Dieser Wert hängt jedoch von der genauen Umlaufbahnhöhe ab. Berechnet für einen kreisförmigen Orbit in 200 km Höhe (120 mi) ergibt sich eine Orbitalgeschwindigkeit von 7,79 km/s (4,84 mi/s), während sie für einen höheren Orbit in 1.500 km Höhe (930 mi) auf 7,12 km/s (4,42 mi/s) sinkt. ^{[ 10 ]} Das für den Eintritt in den niedrigen Erdorbit benötigte Delta-v der Trägerrakete beginnt bei etwa 9,4 km/s (5,8 mi/s).

Die Schwerkraft im erdnahen Orbit (LEO) ist nur geringfügig schwächer als auf der Erdoberfläche. Dies liegt daran, dass die Entfernung des LEO von der Erdoberfläche viel geringer ist als der Erdradius. Ein Objekt im Orbit befindet sich jedoch in einem permanenten freien Fall um die Erde, da sich im Orbit die Gravitationskraft und die Zentrifugalkraft aufheben. ^{[ a ]} Daher bleiben Raumfahrzeuge im Orbit, und Personen innerhalb und außerhalb solcher Fahrzeuge erleben permanent Schwerelosigkeit .

Objekte in einer erdnahen Umlaufbahn (LEO) umkreisen die Erde zwischen der dichteren Atmosphäre und dem inneren Van-Allen-Strahlungsgürtel . Je nach Umlaufbahnhöhe erfahren sie den Luftwiderstand von Gasen in der Thermosphäre (etwa 80–600 km über der Erdoberfläche) oder der Exosphäre (etwa 600 km und höher). Satelliten in Umlaufbahnen mit Höhen unter 300 km unterliegen aufgrund des Luftwiderstands einem schnellen Bahnverfall .

Äquatoriale niedrige Erdumlaufbahnen ( ELEO ) sind eine Untergruppe der LEO. Diese Umlaufbahnen mit geringer Bahnneigung ermöglichen kurze Überflugzeiten über Gebiete in niedrigen Breitengraden der Erde. Prograde äquatoriale LEOs benötigen zudem geringere Startgeschwindigkeiten (Delta-v), da sie die Erdrotation nutzen. Andere nützliche LEO-Umlaufbahnen, darunter polare und sonnensynchrone Umlaufbahnen , weisen höhere Bahnneigungen zum Äquator auf und decken höhere Breitengrade der Erde ab. Einige der ersten Starlink- Satellitengenerationen nutzten polare Umlaufbahnen, die eine flächendeckende Abdeckung der Erde gewährleisten. Spätere Starlink-Konstellationen umkreisen die Erde mit geringerer Bahnneigung und bieten eine bessere Abdeckung besiedelter Gebiete.

Höhere Umlaufbahnen umfassen die mittlere Erdumlaufbahn (MEO), die auch als intermediäre Kreisbahn (ICO) bezeichnet wird, und darüber hinaus die geostationäre Umlaufbahn (GEO). Umlaufbahnen oberhalb der niedrigen Erdumlaufbahn können aufgrund intensiver Strahlung und Ladungsansammlung zu vorzeitigem Ausfall elektronischer Bauteile führen.

Im Jahr 2017 tauchten in Zulassungsanträgen erstmals sogenannte „sehr niedrige Erdumlaufbahnen“ (VLEO) auf . Diese Umlaufbahnen unterhalb von etwa 450 km (280 Meilen) erfordern neuartige Technologien zur Bahnhebung , da sie normalerweise zu schnell abfallen würden, um wirtschaftlich rentabel zu sein. ^{[ 11 ] [ 12 ]}

Eine niedrige Erdumlaufbahn benötigt den geringsten Energieaufwand für die Satellitenplatzierung. Sie bietet hohe Bandbreite und geringe Kommunikationslatenz . Satelliten und Raumstationen in der niedrigen Erdumlaufbahn sind für Besatzung und Wartung leichter zugänglich.

Da es weniger Energie benötigt , einen Satelliten in eine niedrige Erdumlaufbahn (LEO) zu bringen, und ein Satellit dort weniger leistungsstarke Verstärker für eine erfolgreiche Übertragung benötigt, wird die LEO für viele Kommunikationsanwendungen genutzt, beispielsweise für das Iridium-Telefonsystem . Einige Kommunikationssatelliten nutzen deutlich höhere geostationäre Umlaufbahnen und bewegen sich mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit wie die Erde, sodass sie über einem bestimmten Punkt auf der Erde scheinbar stillstehen.

Im Gegensatz zu geostationären Satelliten haben Satelliten in niedriger Umlaufbahn ein kleines Sichtfeld und können jeweils nur einen Bruchteil der Erde beobachten und mit ihm kommunizieren. Daher ist ein großes Netzwerk (oder eine Konstellation ) von Satelliten erforderlich, um eine kontinuierliche Abdeckung zu gewährleisten.

Satelliten in niedrigeren Umlaufbahnen befinden sich in der Atmosphäre und unterliegen einem raschen Bahnverfall . Um stabile Umlaufbahnen zu gewährleisten, sind entweder regelmäßige Bahnkorrekturen oder der Start von Ersatzsatelliten für die in die Atmosphäre eintretenden Satelliten erforderlich. Die Auswirkungen der Zufuhr solcher Mengen verdampfter Metalle in die Stratosphäre der Erde sind potenziell besorgniserregend, aber derzeit unbekannt. ^{[ 13 ]}

• Die Internationale Raumstation (ISS) befindet sich im erdnahen Orbit (LEO) in etwa 400 bis 420 Kilometern Höhe über der Erdoberfläche. ^{[ 14 ]} Die Bahn der Station verringert sich monatlich um etwa 2 Kilometer, weshalb mehrmals im Jahr eine Bahnkorrektur erforderlich ist.
• Die Iridium-Telekommunikationssatelliten umkreisen die Erde in einer Höhe von etwa 780 km (480 Meilen).
• Erdbeobachtungssatelliten , auch Fernerkundungssatelliten genannt , darunter Spionagesatelliten und andere Erdbildsatelliten , nutzen den erdnahen Orbit (LEO), da sie die Erdoberfläche aufgrund ihrer Nähe klarer erfassen können. Die meisten künstlichen Satelliten befinden sich im LEO. ^{[ 15 ]} Satelliten profitieren zudem von der gleichmäßigen Beleuchtung der Erdoberfläche durch sonnensynchrone LEO-Umlaufbahnen in einer Höhe von etwa 800 km und nahezu polarer Bahnneigung. Envisat (2002–2012) ist ein Beispiel dafür.
• Das Hubble-Weltraumteleskop umkreist die Erde in einer Höhe von etwa 540 km (340 Meilen).
• Satelliteninternet-Konstellationen wie Starlink .
• Die chinesische Raumstation Tiangong wurde im April 2021 gestartet und umkreist derzeit die Erde in einer Höhe zwischen 340 und 450 km (210 und 280 Meilen).
• Die Gravimetriemission GRACE-FO umkreist die Erde in einer Höhe von etwa 500 km (310 mi) , genau wie ihre Vorgängerin GRACE .

• GOCE (2009–2013), eine Gravimetriemission der ESA , umkreiste die Erde in einer Höhe von etwa 255 km (158 Meilen).

• Der Super Low Altitude Test Satellite (2017–2019), Spitzname Tsubame , umkreiste die Erde in einer Höhe von 167,4 km (104,0 mi), der niedrigsten jemals erreichten Höhe eines Erdbeobachtungssatelliten. ^{[ 16 ]}

• Im Film 2001: Odyssee im Weltraum umkreiste die Transitstation der Erde („Raumstation V“) die Erde in einer Höhe von 300 km. ^{[ 17 ]}

Die erdnahe Umlaufbahn (LEO) ist aufgrund der häufigen Starts von Objekten zunehmend mit Weltraumschrott übersät . ^{[ 18 ]} Dies hat in den letzten Jahren wachsende Besorgnis ausgelöst, da Kollisionen bei Orbitalgeschwindigkeiten gefährlich oder sogar tödlich sein können. Kollisionen können zusätzlichen Weltraumschrott erzeugen und so einen Dominoeffekt auslösen , der als Kessler-Syndrom bekannt ist . Das Orbital Debris Program der NASA erfasst über 25.000 Objekte mit einem Durchmesser von mehr als 10 cm in der LEO, während die geschätzte Anzahl von Objekten mit einem Durchmesser zwischen 1 und 10 cm bei 500.000 liegt und die Anzahl der Partikel mit einem Durchmesser von mehr als 1 mm 100 Millionen übersteigt. ^{[ 19 ]} Die Partikel bewegen sich mit Geschwindigkeiten von bis zu 7,8 km/s (28.000 km/h; 17.500 mph), sodass selbst ein kleiner Aufprall ein Raumfahrzeug schwer beschädigen kann. ^{[ 20 ]}

Die Lebensdauer von Weltraumschrott kann je nach ballistischem Koeffizienten und vor allem der anfänglichen Umlaufbahnhöhe stark variieren. In niedrigen Umlaufbahnhöhen wie 400 km können kleine Raumfahrzeuge innerhalb von 5 Jahren verglühen. In Höhen über 500 km benötigen manche Raumfahrzeuge jedoch mehr als 25 Jahre bis zum Verglühen. ^{[ 21 ]} Das älteste im erdnahen Orbit (LEO) gefundene Weltraumschrottteil ist der Satellit Vanguard 1 mit seiner dritten Stufe. Der Satellit wurde 1958 gestartet und befindet sich derzeit in einem Perigäum von 651 km und einem Apogäum von 4.226 km ^{[ 22 ]} . Ein Teil seiner Umlaufbahn liegt im oberen Bereich des erdnahen Orbits (LEO), ein anderer Teil erstreckt sich bis in den mittleren Erdorbit (MEO) . Die voraussichtliche Verweildauer im Orbit beträgt 240 Jahre. ^{[ 23 ]}

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