When satellites re-enter and burn up, many of the metals on the satellites get oxidised, including aluminium. Small Low Earth Orbit (LEO) satellites like Starlinkhave aluminium in abundance, and they have a lifetime of about five years, according to reports. There is a constellation of such satellites that enable Starlink to operate its SpaceX satellites. Since the first batch of 60 satellites took place in May 2019, many of them have been coming down regularly.

Im Januar verglühten etwa 120 SpaceX Starlink-Satelliten in der Erdatmosphäre. Berichten zufolge gab es jeden Tag drei bis vier Wiedereintritte, die zur Entstehung künstlicher Meteorschauer führten und für viele Menschen auf der ganzen Welt sichtbar waren.
Obwohl diese spektakulären Schauer scheinbar harmlos oder sogar optisch ansprechend sind, haben Wissenschaftler Alarm geschlagen, dass sie eine ernsthafte Bedrohung für die Umwelt darstellen. Wissenschaftler haben Bedenken hinsichtlich der Wiedereintritte der Satelliten in die obere Atmosphäre oder Mesosphäre geäußert, die sich dann in der Stratosphäre absetzen, in der sich die schützende Ozonschicht der Erde befindet. Die größte Sorge gilt der Freisetzung von Aluminiumoxidpartikeln, die auf lange Sicht die Ozonschicht schädigen könnten.
Wenn Satelliten wieder eintreten und verglühen, oxidieren viele der Metalle auf den Satelliten, darunter auch Aluminium. Kleine Satelliten in erdnaher Umlaufbahn (LEO) wie Starlink verfügen über reichlich Aluminium und haben Berichten zufolge eine Lebensdauer von etwa fünf Jahren. Es gibt eine Konstellation solcher Satelliten, die es Starlink ermöglicht, seine SpaceX-Satelliten zu betreiben. Seit der Start der ersten 60 Satelliten im Mai 2019 sind viele von ihnen regelmäßig gelandet.

According to the European Space Agency (ESA), there are over 28,000 objects in space and most of them are in low Earth orbit. In the last few years, nearly 8,000 Starlink Satellites have been launched. The increasing demand for internet coverage globally is accelerating the rapid launch of small communication satellite constellations. As of now, SpaceX is the front-runner with permission to launch another 12,000 Starlink satellites and as many as 42,000 planned. Meanwhile, Amazon and other companies around the world are also planning satellite constellations ranging between 3,000 and 13,000 satellites.

Nach Angaben der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) gibt es über 28.000 Objekte im Weltraum und die meisten davon befinden sich in einer niedrigen Erdumlaufbahn. In den letzten Jahren wurden fast 8.000 Starlink-Satelliten gestartet. Die steigende Nachfrage nach Internetabdeckung weltweit beschleunigt den schnellen Start kleiner Kommunikationssatellitenkonstellationen. Derzeit ist SpaceX Spitzenreiter mit der Genehmigung, weitere 12.000 Starlink-Satelliten zu starten, und bis zu 42.000 sind geplant. Mittlerweile planen auch Amazon und andere Unternehmen auf der ganzen Welt Satellitenkonstellationen mit 3.000 bis 13.000 Satelliten.

What happens during the re-entry of satellites?

January witnessed the maximum re-entries. Upon reentry, the aluminium in these satellites creates aluminium oxide, which is a threat to the ozone layer. The LEOsatellites usually orbit between 550 and 1,200 km above the Earth. Once their operational period comes to an end, they are decommissioned and allowed to fall back on Earth. This mechanism has been designed to prevent space debris from accumulating. This is so far seen as a responsible approach to space sustainability.

During their re-entry into the atmosphere, satellites travel at about a speed of 27,000 km per hour. At this high speed, the collision of the satellite with the dense atmosphere generates extreme heat through aerodynamic friction. Following this, the satellite almost instantly disintegrates, and most of its components vaporise. Most satellites are designed to burn up entirely before reaching Earth’s surface to avert any danger to people or property.

According to scientists, this burning-up process is not ‘environmentally neutral.’ During the process, the metals in the satellite undergo chemical transformations, especially concerning aluminium, which usually constitutes about 40 per cent of a satellite’s mass. Research shows that a typical Starlink satellite weighs around 250 kg and produces about 30 kg of aluminium oxide particles upon re-entry to the atmosphere. They are not huge debris but microscopic nanoparticles that stay suspended in the upper atmosphere.

Was passiert beim Wiedereintritt von Satelliten?
Im Januar gab es die meisten Wiedereintritte. Beim Wiedereintritt bildet das Aluminium dieser Satelliten Aluminiumoxid, das eine Gefahr für die Ozonschicht darstellt. Die LEO-Satelliten umkreisen normalerweise zwischen 550 und 1.200 km über der Erde. Sobald ihre Betriebszeit endet, werden sie außer Betrieb genommen und dürfen auf die Erde zurückfallen. Dieser Mechanismus soll verhindern, dass sich Weltraummüll ansammelt. Dies wird bisher als verantwortungsvoller Ansatz für die Nachhaltigkeit des Weltraums angesehen.
Bei ihrem Wiedereintritt in die Atmosphäre bewegen sich Satelliten mit einer Geschwindigkeit von etwa 27.000 km/h. Bei dieser hohen Geschwindigkeit erzeugt die Kollision des Satelliten mit der dichten Atmosphäre durch aerodynamische Reibung extreme Hitze. Anschließend zerfällt der Satellit fast augenblicklich und die meisten seiner Komponenten verdampfen. Die meisten Satelliten sind so konstruiert, dass sie vollständig verbrennen, bevor sie die Erdoberfläche erreichen, um jede Gefahr für Menschen oder Eigentum abzuwenden.
Dieser Verbrennungsprozess ist laut Wissenschaftlern nicht „umweltneutral“. Während des Prozesses werden die Metalle im Satelliten chemisch umgewandelt, insbesondere Aluminium, das normalerweise etwa 40 Prozent der Masse eines Satelliten ausmacht. Untersuchungen zeigen, dass ein typischer Starlink-Satellit etwa 250 kg wiegt und beim Wiedereintritt in die Atmosphäre etwa 30 kg Aluminiumoxidpartikel produziert. Dabei handelt es sich nicht um riesige Trümmer, sondern um mikroskopisch kleine Nanopartikel, die in der oberen Atmosphäre schweben.

Why is aluminium oxide a concern?

The re-entries usually happen in the mesosphere, which is around 50 to 80 km above Earth’s surface. Reportedly, the aluminium oxide nanoparticles emitted during the burn-up stay afloat in this region for long periods before they descend into lower altitudes. The scientific concern here is about what happens when these particles eventually reach the stratosphere, which is home to the ozone layer that protects all life from harmful ultraviolet radiation.

According to researchers from the University of Southern California’s Department of Astronautical Engineering, aluminium oxide can act as a catalyst for chemical reactions that involve chlorine, much like the process that led to ozone depletion from chlorofluorocarbons (CFCs) in the past. CBFs are capable of destroying ozone molecules.

Unlike the CFCs, which were banned under the 1987 Montreal Protocol, the aluminium oxide particles do not consume ozone directly. However, as per the research, they act as catalysts or substances that can enable chemical reactions without being consumed themselves. Reportedly, one aluminium oxide particle could potentially contribute to the destruction of thousands of ozone molecules over decades.

Warum ist Aluminiumoxid ein Problem?
Die Wiedereintritte finden normalerweise in der Mesosphäre statt, die sich etwa 50 bis 80 km über der Erdoberfläche befindet. Berichten zufolge bleiben die während des Abbrands freigesetzten Aluminiumoxid-Nanopartikel lange Zeit in dieser Region, bevor sie in niedrigere Höhen absinken. Die wissenschaftliche Sorge hier ist, was passiert, wenn diese Partikel schließlich die Stratosphäre erreichen, in der sich die Ozonschicht befindet, die alles Leben vor schädlicher ultravioletter Strahlung schützt.
Nach Angaben von Forschern der Abteilung für Astronautik der University of Southern California kann Aluminiumoxid als Katalysator für chemische Reaktionen mit Chlor wirken, ähnlich dem Prozess, der in der Vergangenheit zum Ozonabbau durch Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) führte. Fluorchlorkohlenwasserstoffe können Ozonmoleküle zerstören.
Im Gegensatz zu den FCKW, die im Rahmen des Montrealer Protokolls von 1987 verboten wurden, verbrauchen die Aluminiumoxidpartikel Ozon nicht direkt. Der Forschung zufolge wirken sie jedoch als Katalysatoren oder Substanzen, die chemische Reaktionen ermöglichen können, ohne selbst verbraucht zu werden. Berichten zufolge könnte ein einziges Aluminiumoxidpartikel im Laufe der Jahrzehnte möglicherweise zur Zerstörung Tausender Ozonmoleküle beitragen.

What do scientists say?

Several recent studies have suggested a significant increase in aluminium oxide in the atmosphere related to the re-entry of satellites. In February 2023, Nasa conducted high-altitude test flights over Alaska at about 60,000 feet. Closer examination of the aerosols collected revealed the presence of 10 per cent of stratospheric sulphuric acid particles, which were larger than 120 nanometres in diameter, containing aluminium and other metals emitted from satellite and rocket re-entries. These tests confirmed that space hardware was leaving what scientists call a detectable chemical signature in the atmosphere.

According to researchers, the rate of increase is more concerning. Researchers from the University of Southern California Department of Astronautical Engineering suggested that aluminium oxides in the atmosphere increased eightfold between 2016 and 2022. This coincides with the rapid proliferation of satellite constellations during this period. In 2022 alone, re-entries released an estimated 41.7 metric tonnes of aluminium into the atmosphere, which is about 30 per cent more than natural inputs from micrometeoroids (tiny space rocks leading to 16.6 metric tonnes of aluminium oxide in the mesosphere). Researchers say if the pace of current satellite deployment persists, aluminium oxide releases could reach 360 metric tonnes annually — a 646 per cent increase over natural atmospheric levels.

When it comes to impact, there is a time delay involved, making the situation particularly grave. Based on molecular dynamic simulations, the particles created in the mesosphere may take around 20 to 30 years to descend into the ozone layer, meaning the environmental impact of today’s satellite re-entries will not be apparent for decades. Scientists claim that by the time measurable ozone depletion is detected, the mesosphere could already be overflowing with aluminium oxide particles that will likely continue to affect ozone chemistry for years to come, till some regulatory changes are implemented. These modelling studies also suggested that in the extreme case, these particles could contribute to an additional 0.05 per cent ozone loss over Antarctica each year. Although this percentage seems small, it could likely delay or reverse the ozone layer’s expected recovery.

Was sagen Wissenschaftler?
Mehrere neuere Studien deuten auf einen deutlichen Anstieg von Aluminiumoxid in der Atmosphäre hin, der mit dem Wiedereintritt von Satelliten zusammenhängt. Im Februar 2023 führte die NASA Höhentestflüge über Alaska in etwa 60.000 Fuß Höhe durch. Eine genauere Untersuchung der gesammelten Aerosole ergab das Vorhandensein von 10 Prozent stratosphärischen Schwefelsäurepartikeln mit einem Durchmesser von mehr als 120 Nanometern, die Aluminium und andere Metalle enthielten, die beim Wiedereintritt von Satelliten und Raketen ausgestoßen wurden. Diese Tests bestätigten, dass Weltraumhardware eine von Wissenschaftlern als nachweisbare chemische Signatur bezeichnete chemische Signatur in der Atmosphäre hinterließ.
Laut Forschern ist die Zunahmerate besorgniserregender. Forscher der Fakultät für Astronautik der University of Southern California vermuteten, dass sich die Aluminiumoxide in der Atmosphäre zwischen 2016 und 2022 verachtfacht haben. Dies fällt mit der raschen Verbreitung von Satellitenkonstellationen in diesem Zeitraum zusammen. Allein im Jahr 2022 wurden durch Wiedereintritt schätzungsweise 41,7 Tonnen Aluminium in die Atmosphäre freigesetzt, etwa 30 Prozent mehr als durch natürliche Einträge von Mikrometeoroiden (winzige Weltraumgesteinsbrocken, die in der Mesosphäre zu 16,6 Tonnen Aluminiumoxid führen). Forscher sagen, wenn das derzeitige Tempo der Satelliteneinsätze anhält, könnten die Aluminiumoxidfreisetzungen 360 Tonnen pro Jahr erreichen – eine Steigerung von 646 Prozent gegenüber dem natürlichen atmosphärischen Niveau.
Wenn es zum Aufprall kommt, tritt eine Zeitverzögerung ein, was die Situation besonders ernst macht. Molekulardynamische Simulationen zufolge könnten die in der Mesosphäre erzeugten Partikel etwa 20 bis 30 Jahre brauchen, um in die Ozonschicht abzusinken, was bedeutet, dass die Umweltauswirkungen der heutigen Satellitenwiedereintritte erst nach Jahrzehnten sichtbar werden. Wissenschaftler behaupten, dass die Mesosphäre zu dem Zeitpunkt, an dem ein messbarer Ozonabbau festgestellt wird, bereits mit Aluminiumoxidpartikeln überfüllt sein könnte, die die Ozonchemie wahrscheinlich noch jahrelang beeinflussen werden, bis einige regulatorische Änderungen umgesetzt werden. Diese Modellstudien deuten auch darauf hin, dass diese Partikel im Extremfall zu einem zusätzlichen Ozonverlust von 0,05 Prozent pro Jahr über der Antarktis beitragen könnten. Obwohl dieser Prozentsatz gering erscheint, könnte er die erwartete Erholung der Ozonschicht wahrscheinlich verzögern oder umkehren.

Challenges and potential solutions

Even though the concerns are valid, researchers also point to the absence of a comprehensive regulatory framework that addresses the atmospheric impact of re-entries. Reports say the US Federal Communications Commission (FCC) provides licenses to satellite mega-constellations, but it does not consider re-entry debris or ozone depletion in its assessments. Also, commercial satellites have been excluded from environmental review under the National Environmental Policy Act (NEPA).

From the global perspective, while the UN Committee on the Peaceful Uses of Outer Space (COPUOS) has begun discussions around guidelines for space sustainability, the progress has been slow. There is also no binding international agreement regarding pollution from satellite re-entries.

Experts say coordinated action from various stakeholders will help address the challenge. They say satellite manufacturers could come up with alternatives to aluminium or design spacecraft that can be boosted into higher graveyard orbits rather than allowed to re-enter. A graveyard orbit is an orbit where decommissioned satellites are placed to reduce the risk of collisions between operational satellites and space debris. This, however, may require additional onboard propellant and may only delay the problem for some more years.

The ESA was in discussions with SpaceX in October 2024 to join an international effort towards reducing space debris, according to reports. As part of ESA’s Zero Debris initiative, it aims to prevent the generation of new orbital debris by 2030.

Herausforderungen und mögliche Lösungen
Obwohl die Bedenken berechtigt sind, weisen Forscher auch auf das Fehlen eines umfassenden Regulierungsrahmens hin, der die atmosphärischen Auswirkungen von Wiedereintritten berücksichtigt. Berichten zufolge vergibt die US-amerikanische Federal Communications Commission (FCC) Lizenzen für Mega-Satellitenkonstellationen, berücksichtigt bei ihren Bewertungen jedoch weder Wiedereintrittsmüll noch Ozonabbau. Außerdem sind kommerzielle Satelliten gemäß dem National Environmental Policy Act (NEPA) von der Umweltprüfung ausgeschlossen.
Aus globaler Sicht hat das UN-Komitee für die friedliche Nutzung des Weltraums (COPUOS) zwar Diskussionen über Richtlinien für die Nachhaltigkeit des Weltraums begonnen, die Fortschritte sind jedoch langsam. Es gibt auch kein verbindliches internationales Abkommen bezüglich der Verschmutzung durch Wiedereintritt von Satelliten.
Experten sagen, dass koordinierte Maßnahmen verschiedener Interessengruppen helfen werden, die Herausforderung zu bewältigen. Sie sagen, Satellitenhersteller könnten Alternativen zu Aluminium entwickeln oder Raumfahrzeuge entwerfen, die in höhere Friedhofsumlaufbahnen befördert werden können, anstatt wieder eintreten zu dürfen. Ein Friedhofsorbit ist eine Umlaufbahn, in der stillgelegte Satelliten platziert werden, um das Risiko von Kollisionen zwischen aktiven Satelliten und Weltraummüll zu verringern. Dies kann jedoch zusätzlichen Treibstoff an Bord erfordern und das Problem nur um einige Jahre hinauszögern.
Berichten zufolge befand sich die ESA im Oktober 2024 in Gesprächen mit SpaceX, um sich einer internationalen Initiative zur Reduzierung von Weltraummüll anzuschließen. Im Rahmen der Zero Debris-Initiative der ESA soll die Entstehung von neuem Weltraummüll bis 2030 verhindert werden.

Quelle: The Indian EXPRESS