Raketen für Weltraumflüge haben einen größeren Einfluss auf das Klima als wohl vielfach angenommen: Sie produzieren schädliche Stickoxide, tragen zum Abbau der Ozonschicht bei und beschleunigen die Erderwärmung. Noch ist der Umfang solcher Raumflüge gering, aber Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erwarten eine enorme Steigerung durch den aufkommenden Weltraumtourismus, den Firmen wie SpaceX, Blue Origin und Virgin Galactic planen.

Ein Team um Robert Ryan vom University College London hat errechnet, dass drei Jahre Weltraumtourismus reichen könnten, um doppelt so viele klimaschädliche Emissionen zu erzeugen wie sämtliche wissenschaftliche Weltraummissionen.

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Klimaschäden in der Stratosphäre um ein vielfaches schlimmer

Die Folgen von Raketenflügen für die Lufthülle der Erde sind schwer abzuschätzen. Denn direkte Messungen in jenen Zonen der Atmosphäre, die eine Rakete durchfliegt, sind nicht möglich. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler behelfen sich mit Computermodellen, in die viele Erkenntnisse über die Eigenschaften einzelner Atmosphärenschichten und die dort ablaufenden chemischen Reaktionen eingeflossen sind.

Ryan und Kolleginnen und Kollegen verwendeten das Modell „Geos-Chem“, das auch höhere Luftschichten wie die Stratosphäre und die Mesosphäre einbezieht. Für ihre im Fachmagazin „Earth‘s Future“ präsentierte Studie untersuchten sie vor allem Rußpartikel und die Auswirkungen auf die Ozonschicht in der oberen Stratosphäre.

„Raketenstarts werden routinemäßig mit Treibhausgas- und Luftschadstoffemissionen der Flugzeugindustrie verglichen, was wir in unserer Arbeit als falsch nachweisen“, erklärt Ko-Autorin Eloise Marais vom University College London. Die Simulationen ergaben, dass Rußpartikel aus dem verbrannten Treibstoff in der Stratosphäre die Erde etwa 500 mal so effektiv erwärmen wie nahe dem Erdboden. Obwohl Raketen bisher nur 0,02 Prozent zum weltweiten Rußausstoß beitragen, machen sie schon 6 Prozent der Erderwärmung durch Ruß aus.

Auswirkungen des Weltraumtourismus auf den Klimawandel

Kritisch sehen die Forschenden auch den Einfluss von Raketenstarts, vom Zurückfallen ausgebrannter Raketenstufen und von der Rückkehr von Raumfahrzeugen auf die Ozonschicht. Diese schützt die Erde vor aggressiver ultravioletter Sonnenstrahlung und unterliegt durch das Montreal-Protokoll von 1987 einem besonderen Schutz.

Die Raketenstarts im Jahr 2019 haben den Simulationen zufolge die Ozonschicht um 0,01 Prozent vermindert. Nach zehn Jahren Weltraumtourismus mit einer moderaten Steigerungsrate von 5,6 Prozent pro Jahr würde der Ozonverlust über dem Nordpolargebiet den Berechnungen zufolge 0,15 Prozent betragen. Dies wäre etwa ein Zehntel des Betrages, um den sich die Ozonschicht über dem Nordpol nach der Umsetzung des Montreal-Protokolls erholt hat.

„Der einzige Teil der Atmosphäre, der nach dem Montreal-Protokoll eine starke Ozonerholung aufweist, ist die obere Stratosphäre“, betont Ryan. „Und genau die treffen die Auswirkungen der Raketenemissionen am stärksten.“ Der Forscher plädiert dafür, jetzt dringend über die Auswirkungen des Weltraumtourismus auf den Klimawandel zu diskutieren.

Knud Jahnke vom Max-Planck-Institut (MPI) für Astronomie in Heidelberg hält ohnehin nichts vom Weltraumtourismus: „Solche Raumflüge sind klimaschädlich und eine reine Ressourcenverschwendung, nur weil einige reiche Leute dies als Statussymbol entdeckt haben."

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Je höher, desto schlimmer der CO₂-Ausstoß

Die Abgasfahne von Raketen haben Ioannis Kokkinakis und Dimitris Drikakis von der Universität Nicosia auf Zypern im Fachjournal „Physics of Fluids“ genauer beschrieben. Die Auswirkungen der heißen Verbrennungsgase sind in den simulierten Höhen von 10, 30, 50 und 67 Kilometern sehr unterschiedlich. Denn die chemische Zusammensetzung der Luft ändert sich – und vor allem nimmt die Dichte enorm ab. In einer Höhe von 70 Kilometern stößt eine moderne Rakete in einem ein Kilometer langen Flugabschnitt soviel Kohlendioxid (CO₂) aus wie 26 Kubikkilometer Luft in dieser Höhe enthalten.

Vor allem berechneten die Forschenden die Entstehung von Stickoxiden (Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid) durch die Raketenabgase. In der höheren Atmosphäre bilden sich eher weniger Stickoxide, weil die Abgase in der dünnen Luft schnell expandieren und abkühlen. Deshalb wird nur sehr kurz die Temperatur von etwa 920 Grad Celsius überschritten, ab der sich Sauerstoff aus dem Abgas und der Luft mit Stickstoff der Luft zu Stickoxiden verbinden.

In einer Höhe bis zu zehn Kilometern hält der höhere Luftdruck die Abgasfahne der Rakete zusammen und damit heiß, so dass sich Stickoxide bilden können. Die Zahl der Stickoxide ist in der Raketenspur so groß, dass es laut Weltgesundheitsorganisation (WHO) für Menschen gesundheitsschädlich wäre.

„Wir hoffen, dass kommerzielle Flugunternehmen wie SpaceX, Virgin Galactic und Blue Origin sowie die mit ihnen verbundenen Triebwerkshersteller diese Effekte bei zukünftigen Entwürfen berücksichtigen werden", so Drikakis.

Auch wenn bei wissenschaftlichen Weltraumflügen der Treibhausgasfußabdruck überschaubar ist, denken immer mehr Astronomen darüber nach, wie ihre Wissenschaft klimafreundlicher werden kann. In einer in der Fachzeitschrift „Nature Astronomy“ vorgestellten Studie haben Forschende der Universität Toulouse um Jürgen Knödlseder untersucht, welchen CO₂-Abdruck die astronomische Forschungsinfrastruktur hinterlässt.

Sie schätzen die Menge der Treibhausgase, die durch Aktivitäten von Astronomen in die Atmosphäre gelangt, auf etwa 20,3 Millionen Tonnen CO₂-Äquivalent pro Jahr. Dieser Ausdruck bedeutet, dass das Treibhauspotenzial anderer Gase wie etwa Methan auf das Potenzial von CO₂ umgerechnet wird. Auf den einzelnen Astronomen heruntergebrochen sind dies jährlich 36,6 Tonnen CO₂-Äquivalent. Wenn man bedenkt, dass die Natur auf der Erde nur zwei Tonnen CO₂ pro Mensch und Jahr kompensieren kann, liegt die Astronomie derzeit beim 18-Fachen.

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Auch die Wissenschaft muss etwas für den Klimaschutz tun

Auch wenn die Forschung bei Weltraummissionen an Raketenstarts nicht vorbeikommt, könnten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mehr für den Klimaschutz tun, etwa bei Observatorien. MPI-Forscher Jahnke nennt ein Beispiel von der Europäischen Südsternwarte (ESO) in der Atacamawüste in Chile: Dort sei es lange nicht möglich gewesen, die Einrichtungen auf dem Berg Paranal direkt an das chilenische Stromnetz anzuschließen. Daher mussten die High-Tech-Teleskope und die gesamte Infrastruktur mit Dieselaggregaten versorgt werden. Das habe sich aber inzwischen geändert.

Jahnke selbst hat mit Kolleginnen und Kollegen vor zwei Jahren den CO₂-Fußabdruck seines eigenen Instituts ermittelt. Er kam für das Jahr 2018 auf einen Wert von 18,1 Tonnen CO₂-Äquivalent pro Astronom. Dabei kamen 47 Prozent der Treibhausgasemissionen von den mehr als 1000 Dienstflügen, die seine Kolleginnen und Kollegen und er in diesem Jahr absolvierten.

„Wir sind eine kleine wissenschaftliche Community und wir müssen international zusammenarbeiten", begründet Jahnke die hohe Zahl an Flügen. Die Corona-Pandemie habe jedoch gezeigt, dass man in Projekten viele persönliche Treffen zwischen Kooperationspartnern durch Videokonferenzen ersetzen könne. Jahnke plädiert dafür, dies künftig verstärkt zu tun.

Weitere große Posten in der CO₂-Bilanz des MPI für Astronomie sind demnach der Verbrauch an Strom, vor allem für die Berechnungen auf Supercomputern, und das Heizen der Gebäude. „Es ist gut, dass wir diese Zahlen jetzt haben, denn nur was gemessen wird, kann auch gemanagt werden“, sagt Jahnke. Für ihn ist es wichtig, dass sich auch die Grundlagenforschung um mehr Klimafreundlichkeit bemüht. Wenn viele gesellschaftliche Bereiche mühsam Treibhausgasemissionen einsparten, werde ohnehin auch die Astronomie zunehmend gesellschaftlichen Druck zu spüren bekommen.

RND/dpa