Wir nehmen die Gefahr von Atomexplosionen in großer Höhe ernst

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Aurora Borealis ist der wissenschaftliche Begriff für das natürliche Lichtphänomen der Nordlichter. Am 9. Juli 1962 war das Lichtphänomen, das die Hawaiianer beobachteten, alles andere als natürlich. An diesem Tag zündete die Atomenergiekommission in Zusammenarbeit mit der Defence Atomic Support Agency eine thermonukleare Sprengladung im erdnahen Orbit. Der Test trug den Codenamen „Starfish Prime“ und brachte eine unglückliche Lektion zutage: Selbst eine nukleare Detonation in großer Höhe ist besonders effektiv bei der Zerstörung von Satelliten. Es wurden nicht nur Satelliten in der Sichtlinie zerstört, sondern sogar Satelliten auf der anderen Seite der Erde wurden beschädigt und funktionsunfähig gemacht. Starfish Prime beschädigte oder zerstörte zu diesem Zeitpunkt etwa ein Drittel aller Satelliten in einer erdnahen Umlaufbahn.

Die fortschreitende Kommerzialisierung des Weltraums mit kostengünstiger Massenelektronik stellt ein verlockendes Ziel für Nationen mit einem Weltraumnachteil dar, auf das sie abzielen müssen, lange bevor ein Konflikt zu einem nuklearen Schlagabtausch eskalieren könnte. Daher sollte sich das Verteidigungsministerium ernsthaft mit der Planung und Bekämpfung der Bedrohung durch nukleare Detonationen in großer Höhe befassen, beginnend mit seinen verschiedenen Förderorganisationen für Wissenschaft und Technologie.

Zu diesem Zweck sollte das Verteidigungsministerium die Entwicklung eines kohärenten Forschungsportfolios mit konsolidierter Aufsicht in Betracht ziehen, das darauf abzielt, die Überlebensfähigkeit militärischer und kommerzieller Satelliten vor der Strahlung geladener Teilchen zu maximieren. Das Portfolio sollte sich auf die schnelle Charakterisierung der Strahlungsumgebung im Weltraum, die Verbreitung dieser Informationen für Satelliten-Gegenmaßnahmen, die Entfernung überschüssiger geladener Teilchen aus der Umlaufbahn und die weitere Subventionierung der laufenden Kommerzialisierung strahlungsresistenter elektronischer Komponenten konzentrieren.

Die Bedrohung durch nukleare Explosionen im Weltraum wird marginalisiert, da die Stärke ihrer Auswirkungen nicht allgemein bekannt ist und die Wahrscheinlichkeit eines nuklearen Angriffs im Weltraum als vernachlässigbar angesehen wird. Trotz dieser Skepsis sollten Kriegsplaner erkennen, dass die wachsende Zahl von Satelliten im Weltraum die Anreizstrukturen verändern könnte, sie bei einem nuklearen Angriff außer Gefecht zu setzen. Auch die Dynamik der Eskalation ist nicht eindeutig. Der Einsatz einer Atomwaffe im Weltraum darf nicht zu einer nuklearen Reaktion führen. Das bedeutet, dass der traditionelle Weg zur Abschreckung des Einsatzes von Atomwaffen – die Androhung katastrophaler Vergeltungsmaßnahmen – möglicherweise nicht so einfach ist, wie viele denken. Insgesamt besteht ein großer Anreiz, die amerikanische Infrastruktur im Weltraum widerstandsfähiger gegen diese anhaltende Bedrohung zu machen.

Lehren aus Atomtests

Die Zeit von den 1940er bis frühen 1960er Jahren war eine Goldgrube für Atomtests in jeder erdenklichen exotischen Konfiguration und an jedem erdenklichen Ort. Ungefähr 84 Prozent des Gesamtertrags aller Atomtests wurden in diesem Zeitraum in der Erdatmosphäre detoniert. Weniger bekannt sind die wenigen Atomtests, die die USA unter Wasser und in großen Höhen durchführten. Bei der Operation Crossroads im Jahr 1946 wurden mehrere Atomwaffen unter Wasser gezündet, um ihre Wirksamkeit gegen Schiffe und U-Boote zu testen. Die Ergebnisse zeigten jedoch, dass die Explosionen radioaktives Wasser in der Luft verteilten, das auf jedes Schiff im Ausbreitungsbereich zurückregnete, ohne viele Schiffe zu zerstören.

Im Gegensatz dazu überraschte der Starfish-Prime-Test alle mit der Wirksamkeit einer exo-atmosphärischen Atomexplosion bei der Zerstörung von Satelliten. Nobelpreisträger Glenn Seaborg, Mitentdecker von Plutonium und Vorsitzender der Atomenergiekommission von 1961 bis 1971, schrieb: „Zu unserer großen Überraschung und Bestürzung stellte sich heraus, dass Starfish die Elektronen in den Van-Allen-Gürteln erheblich vergrößerte. Das.“ Das Ergebnis widersprach allen unseren Vorhersagen. Noch überraschender war, dass der weltweit erste kommerzielle Kommunikationssatellit, Telstar, am Tag nach dem Starfish-Prime-Test gestartet wurde und dennoch erhebliche Betriebsschäden durch Reststrahlung erlitt. Telstar hielt nur acht Monate durch, bis es im Februar 1963 aufgrund beschädigter Elektronik nicht mehr reagierte. Aus diesen Gründen und wegen der Besorgnis über die zunehmende Umweltstrahlung entschieden die Nationen der Welt, dass das Testen von Atomwaffen sowohl unter Wasser als auch im Weltraum eine schlechte Idee sei, und verbot solche Aktivitäten mit dem Vertrag über ein begrenztes Testverbot, den die Vereinigten Staaten am 5. August ratifizierten. 1963.

Weiche Satelliten

Die Van-Allen-Strahlungsgürtel erfüllen die entscheidende Aufgabe, geladene Teilchen von der Sonne von der Erde wegzufegen und einen Schutzschild gegen die Strahlung geladener Teilchen aus der niedrigen Erdumlaufbahn zur Oberfläche (unter 1.000 Kilometern Höhe) zu schaffen. Satelliten, die höher als im niedrigen Erdorbit gestartet werden, sind einer härteren Strahlungsumgebung ausgesetzt und sind elektronisch gehärtet, um dem ständigen Beschuss geladener Teilchen standzuhalten. Die grundlegenden elektrischen Einheiten von Satelliten sind typisch für die gesamte Elektronik, wie z. B. Widerstände, Leiter, Dioden, Transformatoren und Speicher. Im Allgemeinen übertragen diese elektrischen Komponenten Energie, führen logische Operationen durch und leiten Informationen über Teile des elektromagnetischen Spektrums weiter, während sie unter Bedingungen nahe dem Vakuum mit einem größeren Strahlungshintergrund als auf der Erde funktionieren.

Kommerzielle Satelliten im niedrigen Erdorbit nutzen jedoch die reduzierte Partikelstrahlung voll aus und können in ihre Nutzlasten kommerzielle Standardelektronik integrieren. Durch den Einsatz dieser Komponenten werden die Kosten deutlich gesenkt. Die Strahlenhärtung von Elektronik wird immer kostengünstiger und kompakter, aber diese Praxis treibt in der Vergangenheit den Preis der Komponenten um etwa den Faktor 10 bis 100 in die Höhe und erhöht gleichzeitig potenziell die Größe und Masse der gesamten Nutzlast.

Militärsatelliten sind wesentlich teurer als kommerzielle Satelliten, da sie unabhängig von der Umlaufhöhe normalerweise auf eine höhere elektronische Härte ausgelegt sind, was ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber Zeiten intensiver Sonnenaktivität erhöht. Der Trend bei der Entwicklung von Weltraumnutzlasten für eine niedrige Erdumlaufbahn geht zum Start kleiner Satelliten wie CubeSats, die Mikroelektronik mit geringem Stromverbrauch nutzen, die nur wenige Monate bis einige Jahre lang funktionieren, bevor sie die Umlaufbahn verlassen und durch ihren verbesserten Nachfolger ersetzt werden. Dieser Trend bedeutet nicht, dass kleine Satelliten als zerbrechlich betrachtet werden sollten. Es ist sehr teuer, Satelliten mit Raketen ins All zu befördern. Die Herstellung von CubeSats mag erschwinglich sein, ihre Einführung bleibt jedoch kostspielig. Die Austauschzeiten von der Herstellung bis zur Umlaufbahn betragen mindestens mehrere Monate bis Jahre, selbst für kleine Satelliten, die sich näher an der Erde befinden. Daher sind die geringeren Herstellungskosten dieser Satelliten nicht immun gegen den möglichen Einsatz nuklearer Detonationen in großen Höhen.

Das Verteidigungsministerium ist in hohem Maße auf den Weltraum angewiesen, um Daten rund um die Welt zu übertragen, und nutzt diese Daten zur Organisation der Kriegsplanung. Nehmen Sie den aktuellen Krieg zwischen Russland und der Ukraine als Beispiel für die Bedeutung des Weltraums für die Kriegsplanung. Zu Beginn der Invasion griffen russische Streitkräfte die landgestützte Internet- und Mobilfunkinfrastruktur der Ukraine an und schränkten dadurch die Fähigkeit Kiews, eine effektive Führung und Kontrolle an den Frontlinien sowie eine grundlegende Informationsweitergabe an die Bevölkerung aufrechtzuerhalten, erheblich ein. Glücklicherweise war das Starlink-Projekt, eine sich entwickelnde Konstellation von Kleinsatelliten im erdnahen Orbit, die einen Hochgeschwindigkeits-Internetzugang bereitstellen, in der Lage, den Großteil der Streitkräfte der Ukraine mit Internet zu versorgen.

Derzeit gibt es in der Ukraine über 10.000 Starlink-Bodenterminals, die über 150.000 Menschen mit Internet versorgen. Die ukrainischen Streitkräfte haben Zugang zu einem robusten satellitengestützten Internetdienst, der für Russland nur schwer zu stören ist, da es nicht auf die Satelliten selbst abzielt. Dieser aktuelle Fall zeigt, wie Weltraumressourcen unabhängig vom Standort unschätzbare Informationsprodukte bereitstellen.

Nuke Space, Nuke the Economy

Um diese Satelliten anzugreifen, muss ein Gegner über Atomwaffen und Langstreckenraketen verfügen. Dies schränkt die Liste potenzieller Angreifer ein, umfasst aber auch Russland, China und Nordkorea. Während der Einsatz von Atomwaffen eskaliert, hätte eine Explosion im Weltraum verheerende wirtschaftliche Auswirkungen auf die Vereinigten Staaten. Es würde auch die weltraumgestützten Ressourcen beeinträchtigen, die das Verteidigungsministerium zur Führung und Kontrolle nutzt.

Eine nukleare Explosion im Weltraum schadet den Vereinigten Staaten als größtem Einzelinvestor in Weltraumkapazitäten überproportional. Die Vereinigten Staaten erwirtschaften aus ihren Raumfahrtanlagen einen Bruttoertrag von fast 200 Milliarden US-Dollar pro Jahr. Auch wenn Militärsatelliten dafür ausgelegt sind, einer härteren Umgebung geladener Teilchen standzuhalten, ist Strahlungshärtung kein magischer Deckmantel der Unbesiegbarkeit. Militärische Weltraumanlagen werden im Laufe der Zeit durch den künstlich verstärkten Strahlungsgürtel, der durch die nukleare Detonation entsteht, geschwächt, während kommerzielle Satelliten in der erdnahen Umlaufbahn als erste ausfallen werden, wenn sie diese Partikel-Hotspots kontinuierlich passieren. Die meisten Satelliten mit Sichtlinie zur nuklearen Detonation werden durch die entstehende Röntgenstrahlung zerstört. Militärische Raumfahrtkapazitäten für Führung und Kontrolle sowie Aufklärungseinrichtungen funktionieren möglicherweise noch für einen Zeitraum nach der Detonation, die wirtschaftlichen Auswirkungen der beeinträchtigten informationstechnischen Raumfahrtprodukte werden jedoch unmittelbar spürbar sein.

Die Atombombe auf Satelliten ist eine Eskalation, aber die Reaktion ist nicht einfach

Das Anvisieren des Weltraums mit einer thermonuklearen Waffe führt zu einer erheblichen Vergeltung, aber nicht unbedingt zu einer nuklearen Reaktion. Sobald eine gegnerische Nation mit einem Mangel an Raumfahrtfähigkeiten in diesem Bereich eine Atomwaffe zündet, hat es keinen Vorteil, mit einem ähnlichen Angriff zu reagieren. Dieses Gesetz würde weltraumgestützte Vermögenswerte weiter schwächen. Der Einsatz einer bodengestützten Antisatellitenwaffe hat nicht den gleichen Effekt. Es handelt sich um den Tausch einer Rakete gegen einen Satelliten, was nicht der Zerstörung einer Atomwaffe gleichkommt.

Die angegriffene Nation muss dann darüber nachdenken, mit konventionellen oder nuklearen Waffen auf der Erde zu reagieren. Das Angreifen von Atomwaffen auf Städte und Militäreinrichtungen ist keine direkte Reaktion auf die anfängliche Aktion der Atombombe im Weltraum und stellt eine weitere bedeutende Eskalation des Konflikts dar. Weltraumressourcen sind nicht gleichzusetzen mit Menschenleben. Darüber hinaus verfügt die angreifende Nation auch über Atomwaffen in Reserve und kann mit dem richtigen Kräftemix Ziele in Gefahr halten. Daher müsste die angegriffene Nation eine Eskalation zum Einsatz von Atomwaffen abwägen, wohl wissend, dass dies zu einer nuklearen Reaktion auf Ziele im eigenen Land führen würde. Die offensichtliche Reaktion besteht darin, zu signalisieren, dass der Einsatz von Atomwaffen im Weltraum als nuklearer Angriff auf die Erde behandelt würde, eine gegnerische Nation eine solche Bedrohung jedoch für unglaubwürdig halten könnte.

Eine Nation kann auch davon abgeschreckt werden, zu handeln, weil jede Nation auf der Welt in gewissem Maße von Weltraumprodukten abhängig ist. Daher wäre der Einsatz einer Atomwaffe im Weltraum „Selbstverletzung“. Wie die Geschichte des Krieges jedoch zeigt, entscheiden sich Nationen für Selbstverletzung, indem sie beispielsweise ihre eigenen Brücken einstürzen lassen und Felder niederbrennen, um einen Eindringling daran zu hindern, an Boden zu gewinnen. Atomwaffen stehen auf dem Höhepunkt der Bedrohungsexkalation, daher ist der Einsatz einer solchen Waffe ein Zeichen der Verzweiflung angesichts der abnehmenden Alternativen.

Investition in Schadensbegrenzungstechnologien

Die derzeitige Risikominderung im Hinblick auf die Bedrohung durch nukleare Detonationen in großen Höhen konzentriert sich kurzsichtig auf die Strahlenhärtung der Elektronik, die unzureichend ist, und auf die bloße Behauptung, die Wahrscheinlichkeit eines Angriffs sei nahe Null. Das Verteidigungsministerium sollte seine Bemühungen verstärken, der Bedrohung durch nukleare Detonationen in großen Höhen entgegenzuwirken, und sich darüber im Klaren sein, dass die fortschreitende Kommerzialisierung des Weltraums zu einer noch größeren Abhängigkeit von Plattformen in erdnahen Umlaufbahnen führen wird, die weiterhin anfällig für die Freisetzung geladener Teilchen bei nuklearen Explosionen sind.

Die Nutzengrenze zwischen militärischer und kommerzieller Raumfahrtnutzlast wird weiterhin verschwimmen. Die Strahlenhärtung aller Nutzlasten wird wirtschaftlich nicht machbar sein, es sei denn, Härtungspraktiken werden in kommerziellen Komponenten allgegenwärtig. Das Erkennen dieser Bedrohung ist nichts Neues und sollte keine Überraschung sein. Die Defense Threat Reduction Agency hat eine detaillierte Studie zu diesem Thema durchgeführt, die bis heute gültig ist. Allerdings wurde das Potpourri an technischen Programmen, die darauf abzielen, die Bedrohung von Weltraumanlagen durch nukleare Detonationen in großer Höhe zu mindern, nicht ausreichend finanziert. Das Verteidigungsministerium sollte ein konzertiertes Forschungs- und Entwicklungsportfolio initiieren, um diese Bedrohung abzumildern, indem es sicherstellt, dass die größtmögliche Anzahl kommerzieller und militärischer Weltraumressourcen eine nukleare Detonation in großer Höhe überstehen, anstatt sich nur auf einige wenige robuste Militärressourcen zu konzentrieren. Unter der Annahme, dass ein Gegner unbestritten eine Atomwaffe in den Weltraum befördern kann, könnten sich die folgenden unprovozierenden Schwerpunktbereiche als nützlich für die Aufteilung der Forschungsbemühungen erweisen.

Entwickeln Sie zunächst Strahlungssensoren, die eine schnelle Beurteilung der Weltraumumgebung nach der Detonation ermöglichen, um Schwaden schädlicher Strahlung aufgrund geladener Teilchen, die in den Van-Allen-Gürteln eingeschlossen sind, zu kartieren. Kommerzielle Komponenten für Weltraumanwendungen zur Charakterisierung hochenergetischer Elektronen, Röntgenstrahlen und der Gesamtdosis sind bereits zum Kauf erhältlich.

Zweitens: Untersuchen und entwerfen Sie ein System zur Weiterleitung von Informationen über die gefährliche Strahlungsumgebung von Satellit zu Satellit, sodass einzelne Satelliten Ausweichmanöver (Orbitwechsel) versuchen oder einfach für einen Teil ihrer Umlaufbahnen in einen Energiesparmodus wechseln können, um die Überlebensfähigkeit zu verbessern.

Drittens: fortschrittliche Satellitensysteme, die speziell darauf ausgelegt sind, überschüssige geladene Teilchen aus den Van-Allen-Gürteln zu entfernen, indem sie die Teilchen zurück in die Atmosphäre leiten. Solche Systeme sind noch in der Erforschung, nutzen jedoch niederfrequente Radiowellen, um geladene Teilchen aus der Magnetfeldlinie herauszulenken. Durch die kontinuierliche Abschaltung verstärkter Umlaufbahnen im Laufe der Zeit verhindert diese Aktion längere Schäden an Satelliten, wie im Beispiel von Telstar, indem die Gesamtstrahlungsdosis reduziert wird.

Schließlich sollte das Verteidigungsministerium seine Forschungsbemühungen zur Strahlenhärtung fortsetzen, sich jedoch auf die Weiterentwicklung gehärteter kommerzieller Komponenten konzentrieren, die wirtschaftlich machbar und allgegenwärtig sind und die Standardelektronik ersetzen, die für die niedrigen Strahlungswerte auf der Erdoberfläche entwickelt wurde.

Die beiden Forschungs- und Entwicklungsorganisationen, die sich am besten dafür eignen, diese Bemühungen durch Orchestrierung voranzutreiben, sind die Defense Threat Reduction Agency und das Air Force Research Laboratory, da sie über bestehende Kompetenzen bei der Bekämpfung von Massenvernichtungswaffen bzw. der Weiterentwicklung von Raumfahrtsystemen verfügen. Die Aufgabe, nuklearen Detonationen in großen Höhen entgegenzuwirken, erstreckt sich jedoch über beide Angriffsbereiche, so dass jeder darauf vertrauen kann, dass der andere die Führung übernimmt. Mehrere weitere Organisationen sind ebenfalls in der Lage, diese Entwicklungsbemühungen zu leiten, darunter die National Nuclear Security Administration und die Defense Advanced Research Projects Agency. Der erste Schritt zur Abwehr dieser Bedrohung besteht einfach darin, eine Organisation des Verteidigungsministeriums zu beauftragen, die Führung zu übernehmen und die erste Phase des Programm-, Planungs-, Budget- und Ausführungsprozesses einzuleiten.

Die Möglichkeit, dass Atomwaffen in großer Höhe auf Weltraumanlagen zielen, ist keine neuartige Bedrohung, sondern eine, die in der Vergangenheit abgetan wurde. Die Art der Umlaufbahn um die Erde bedeutet, dass Weltraumressourcen regelmäßig in sehr vorhersehbaren Mustern exponiert werden. Tatsächlich ist der Transport einer Atomwaffe in eine erdnahe Umlaufbahn für ein Land wie Nordkorea eine einfachere technische Herausforderung als der Angriff auf die kontinentalen Vereinigten Staaten, da der Sprengkopf der Rakete dem Widerstand und der Hitze des atmosphärischen Wiedereintritts standhalten muss. Weltraumressourcen sind nicht nur verlockende Ziele, sondern werden mit jeder unterstützten Militäroperation auch provokativer. Daher muss das Verteidigungsministerium einen kohärenten Forschungs- und Entwicklungsplan mit einer eigenen Leitung ausarbeiten, um die Mission der Bekämpfung nuklearer Detonationen in großen Höhen voranzutreiben.

Oberstleutnant „Tony“ Vincent ist ein aktiver Wissenschaftler bei der US-Luftwaffe und derzeit Leiter der Advanced Physics Courses an der Air Force Academy. Er erhielt einen Doktortitel in Philosophie in Atmosphärenphysik von der University of Oxford, einen Master of Military Operational Art and Science vom Air Command and Staff College und einen Master of Applied Physics vom Air Force Institute of Technology. Oberstleutnant Vincent war außerdem Programmmanager für nukleare Bedrohungen bei der Defense Threat Reduction Agency und Leiter der Optik des dritten Einsatzteams beim Projekt AngelFire im Rahmen der Operation Iraqi Freedom. Die Ansichten hier sind die des Autors und geben nicht die der US Air Force, des US-Verteidigungsministeriums oder eines Teils der US-Regierung wieder.

Bild: Atomwaffenarchiv