Eine mutige Lösung zur Bekämpfung des Klimawandels?

Eine staubige Mondlandschaft, wie sie vom Advanced Concepts Laboratory der NASA visualisiert wurde. Bildnachweis: NASA

An einem kalten Wintertag ist die Wärme der Sonne sehr willkommen. Da die Menschheit jedoch immer mehr Treibhausgase freisetzt, fängt die Erdatmosphäre immer mehr Sonnenenergie ein und erwärmt die Erde stetig. Eine Strategie, um diesen Trend umzukehren, besteht darin, einen Teil des Sonnenlichts abzufangen, bevor es unseren Planeten erreicht. Seit Jahrzehnten erwägen Wissenschaftler die Verwendung von Bildschirmen, Objekten oder Staubpartikeln, um genügend Sonnenstrahlung – zwischen 1 und 2 % – zu blockieren, um die Auswirkungen der globalen Erwärmung abzuschwächen.

Eine von der University of Utah geleitete Studie untersuchte die Möglichkeit, Staub zur Abwehr von Sonnenlicht zu verwenden. Sie analysierten die unterschiedlichen Eigenschaften der Staubpartikel, die Staubmengen und die am besten geeigneten Umlaufbahnen, um die Erde zu beschatten. Die Autoren fanden heraus, dass das Schießen von Staub von der Erde zu einer Station auf dem Weg zum „Lagrange-Punkt“ (L1) zwischen Erde und Sonne effizienter wäre, aber astronomische Kosten und Anstrengungen erfordern würde. Eine Alternative ist die Verwendung von Mondstaub. Die Autoren argumentieren, dass die Freisetzung von Mondstaub vom Mond ein billiger und effektiver Weg sein könnte, die Erde zu beschatten.

Simulierte Freisetzung eines Staubstroms zwischen Erde und Sonne. Diese Staubwolke erscheint, wenn sie von der Erde aus die Sonnenscheibe überquert. Ströme wie diese, einschließlich derjenigen, die von der Mondoberfläche freigesetzt werden, könnten als vorübergehender Schirm für die Sonne dienen. Bildnachweis: Ben Bromley/Universität von Utah

Das Astronomenteam wendete eine Technik an, mit der die Entstehung von Planeten um ferne Sterne untersucht wurde, was ihr üblicher Forschungsschwerpunkt ist. Die Planetenbildung ist ein chaotischer Prozess, der viel kosmischen Staub freisetzt, der Ringe um den Wirtsstern bilden kann. Diese Ringe fangen das Licht des Zentralsterns ab und strahlen es so zurück, dass wir es auf der Erde erkennen können. Eine Möglichkeit, Sterne zu entdecken, die neue Planeten bilden, besteht darin, nach diesen staubigen Ringen zu suchen.

„Das war der Keim der Idee“, sagte Ben Bromley, Professor für Physik und Astronomie und Hauptautor der Studie.

Simulation von Staub, der von der Wegstation am Lagrange-Punkt 1 freigesetzt wird. Der Schatten auf dem Boden ist zur Verdeutlichung übertrieben. Bildnachweis: Ben Bromley

sagte Scott Kenyon, Co-Autor der Studie vom Center for Astrophysics | Harvard und Smithsonian.

Das Papier wurde kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht PLOS-Klima.

Schatten werfen

Die Gesamtwirksamkeit des Schildes hängt von seiner Fähigkeit ab, eine Umlaufbahn aufrechtzuerhalten, die die Erde beschattet. Sameer Khan, ein Student im Grundstudium und Co-Autor der Studie, leitete die anfängliche Untersuchung, dass Orbitale Staub lange genug in Position halten könnten, um eine angemessene Schattierung zu gewährleisten. Khans Arbeit demonstrierte die Schwierigkeit, Staub dort zu halten, wo man ihn haben möchte.

„Da wir die Positionen und Massen der großen Himmelskörper in unserem Sonnensystem kennen, können wir einfach die Gesetze der Schwerkraft nutzen, um die simulierte Position des Sonnenschilds über die Zeit für mehrere verschiedene Umlaufbahnen zu verfolgen“, sagte Khan.

Es gab zwei vielversprechende Szenarien. Im ersten Szenario platzieren die Autoren eine Weltraumplattform am Lagrange-Punkt L1, dem nächstgelegenen Punkt zwischen Erde und Sonne, an dem sich die Gravitationskräfte ausgleichen. Objekte in Lagrange-Punkten neigen dazu, auf einem Weg zwischen zwei Himmelskörpern zu bleiben, weshalb[{“ attribute=““>James Webb Space Telescope (JWST) is located at L2, a Lagrange point on the opposite side of the Earth.

A simulation of dust launched from the moon’s surface as seen from Earth. Credit: Ben Bromley

In computer simulations, the researchers shot test particles along the L1 orbit, including the position of Earth, the sun, the moon, and other solar system planets, and tracked where the particles scattered. The authors found that when launched precisely, the dust would follow a path between Earth and the sun, effectively creating shade, at least for a while. Unlike the 13,000-pound JWST, the dust was easily blown off course by the solar winds, radiation, and gravity within the solar system. Any L1 platform would need to create an endless supply of new dust batches to blast into orbit every few days after the initial spray dissipates.

“It was rather difficult to get the shield to stay at L1 long enough to cast a meaningful shadow. This shouldn’t come as a surprise, though, since L1 is an unstable equilibrium point. Even the slightest deviation in the sunshield’s orbit can cause it to rapidly drift out of place, so our simulations had to be extremely precise,” Khan said.

In the second scenario, the authors shot lunar dust from the surface of the moon towards the sun. They found that the inherent properties of lunar dust were just right to effectively work as a sun shield. The simulations tested how lunar dust scattered along various courses until they found excellent trajectories aimed toward L1 that served as an effective sun shield. These results are welcome news, because much less energy is needed to launch dust from the moon than from Earth. This is important because the amount of dust in a solar shield is large, comparable to the output of a big mining operation here on Earth. Furthermore, the discovery of the new sun-shielding trajectories means delivering the lunar dust to a separate platform at L1 may not be necessary.

Just a moonshot?

The authors stress that this study only explores the potential impact of this strategy, rather than evaluate whether these scenarios are logistically feasible.

“We aren’t experts in climate change, or the rocket science needed to move mass from one place to the other. We’re just exploring different kinds of dust on a variety of orbits to see how effective this approach might be. We do not want to miss a game changer for such a critical problem,” said Bromley.

One of the biggest logistical challenges—replenishing dust streams every few days—also has an advantage. Eventually, the sun’s radiation disperses the dust particles throughout the solar system; the sun shield is temporary and shield particles do not fall onto Earth. The authors assure that their approach would not create a permanently cold, uninhabitable planet, as in the science fiction story, “Snowpiercer.”

“Our strategy could be an option in addressing climate change,” said Bromley, “if what we need is more time.”

Reference: “Dust as a solar shield” by Benjamin C. Bromley, Sameer H. Khan and Scott J. Kenyon, 8 February 2023, PLOS Climate.
DOI: 10.1371/journal.pclm.0000133