Die NASA sucht vom Weltraum aus nach Plastikmüll in den Ozeanen: Wie EMIT und eine neue Spektralbibliothek den Kampf gegen Meeresmüll verändern
Ende 2025 zeigte ein Wissenschaftlerteam zum ersten Mal, dass Konzentrationen von Plastikmüll an Land von der Internationalen Raumstation aus mit dem NASA-Instrument EMIT erkannt werden können. Obwohl dieses Sensorsystem ursprünglich zur Messung von Mineralstaub aus Wüsten entwickelt wurde, erwies es sich überraschenderweise als fähig, den „Fingerabdruck“ von Plastik auf Mülldeponien, landwirtschaftlichen Flächen und in großen Plastikstrukturen wie Gewächshäusern zu erkennen. Dies schlägt ein neues Kapitel in der Idee auf, denselben Ansatz eines Tages auch für die Überwachung von Abfällen im Meer anzuwenden.
Gleichzeitig veröffentlichte eine Gruppe von Forschern unter der Leitung der jungen Meereswissenschaftlerin Ashley Ohall die offene Spektralbibliothek MADLib – eine Datenbank mit fast 25.000 präzise gemessenen „molekularen Fingerabdrücken“ verschiedener Arten von Meeresmüll. In Kombination mit EMIT und anderen hyperspektralen Satelliten könnte diese Datenbank zu einem entscheidenden Glied bei der Entwicklung von Algorithmen werden, die die Bewegung von Plastikmüll über den gesamten Planeten vom Weltraum aus verfolgen werden.
Eine Plastikwelle, die die Ozeane bedroht
Plastikmüll zählt heute zu den größten ökologischen Bedrohungen für die Weltmeere. Nach Schätzungen des Umweltprogramms der Vereinten Nationen und einer Reihe aktueller Studien gelangen jedes Jahr zwischen 8 und 11 Millionen Tonnen Plastik ins Meer – von großen Fischernetzen und Verpackungen bis hin zu mikroskopisch kleinen Partikeln, die durch den Zerfall größerer Stücke entstehen. Der Großteil dieses Abfalls stammt vom Land, durch Auswaschungen von Deponien, aus unsachgemäß entsorgtem Kommunalmüll oder über Flüsse, die das Plastik an die Küsten und in den offenen Ozean tragen.
Plastik im Meer verursacht vielfältige Probleme. Meeresbewohner verschlucken es oder verfangen sich darin, es schädigt die Fischerei und den Tourismus, und Plastikfragmente gelangen auch in die menschliche Nahrungskette. Analysen globaler Szenarien warnen davor, dass sich ohne eine Änderung der Politik und der Konsumgewohnheiten die Menge an Plastik, die jedes Jahr in den Ozeanen landet, bis 2040 fast verdreifachen könnte. Das bedeutet, dass neben traditionellen Maßnahmen zur Abfallvermeidung auch eine deutlich bessere Überwachung dessen erforderlich ist, was bereits im Meer treibt – und zwar auf der Ebene des gesamten Planeten und nicht nur an einzelnen Stränden oder in Buchten.
Genau hier kommt die Weltraumtechnologie ins Spiel. Satelliten, die die Erde überwachen, messen seit Jahrzehnten die Temperatur, die Farbe der Ozeane, Wolken und Treibhausgase. Nun wird versucht, dieselbe Infrastruktur zu nutzen, um auch die „Ströme“ von Meeresmüll zu kartieren, wobei EMIT der NASA und die neue Bibliothek MADLib einen der ersten konkreten Schritte in diese Richtung darstellen.
EMIT: Ein Staub-Instrument, das anfing, Plastik zu „sehen“
EMIT, mit vollem Namen Earth Surface Mineral Dust Source Investigation, wurde am 14. Juli 2022 auf die Plattform der Internationalen Raumstation geschossen. Das Instrument wurde im Jet Propulsion Laboratory der NASA als Teil des Earth-Venture-Programms entwickelt und war als wichtiges Werkzeug zur Untersuchung von Mineralstaub aus Wüsten und trockenen Gebieten gedacht. Dieser Staub, der von Winden über Tausende von Kilometern getragen wird, kann die Atmosphäre je nach Zusammensetzung erwärmen oder abkühlen, und die Aufgabe von EMIT ist es, die „Mineralkarte“ dieser Quellgebiete präzise zu vermessen.
Im Gegensatz zu klassischen Satellitenkameras, die nur wenige breite Spektralkanäle aufnehmen, ist EMIT ein hyperspektrales Spektrometer. Es misst das reflektierte Sonnenlicht in einer kontinuierlichen Folge von Wellenlängen vom sichtbaren bis zum kurzwelligen Infrarotbereich, wobei es für jedes Pixel auf der Erdoberfläche ein detailliertes „Spektrum“ von 380 zu 2500 Nanometern erhält. In der Praxis bedeutet dies, dass das Instrument für jedes Quadrat von etwa 60 Metern auf dem Boden nicht nur die Farbe „sieht“, sondern auch die feine Struktur der Absorptionslinien, die von der chemischen Zusammensetzung des beobachteten Materials abhängen.
Als Forscher begannen, die EMIT-Daten systematisch zu sichten, stellten sie fest, dass dasselbe Instrument, das Mineralien wie Calcit oder Hämatit unterscheidet, auch sehr spezifische Absorptionsmerkmale einiger Kunststoffpolymere erkennen kann. In einer 2024 veröffentlichten Arbeit wurde gezeigt, dass EMIT aus dem Orbit Spuren von Polyethylen hoher Dichte (HDPE) und Polyvinylchlorid (PVC) auf großen Deponien und in landwirtschaftlichen Gebieten erkennen kann, in denen Plastik als Folie oder in der Struktur von Gewächshäusern verwendet wird. Wissenschaftlern ist es gelungen, diese Signale auf globaler Ebene zu isolieren und Quellen von Plastikmüll auf mehreren Kontinenten aufzudecken.
Diese Ergebnisse bestätigten, dass die hyperspektrale Technologie das Potenzial zur Überwachung von Plastik vom Weltraum aus hat – zumindest an Land, wo das Signal relativ sauber und der Hintergrund einfacher als auf See ist. Der nächste logische Schritt war die Frage: Kann derselbe Ansatz eines Tages auch auf die Überwachung von Abfällen in den Ozeanen angewendet werden?
Wie das hyperspektrale „Fingerabdrucklesen“ funktioniert
Die Grundlage für den Erfolg von EMIT liegt in einer Technik, die als hyperspektrale Bildgebung oder bildgebende Spektroskopie bekannt ist. Anstatt jeden Punkt auf der Oberfläche des Planeten mit drei Grundfarben (Rot, Grün, Blau) zu beschreiben, misst das Instrument die Lichtreflexion in Hunderten von schmalen Wellenlängen-„Streifen“. Jedes Mineral, jeder Kunststoff oder jedes organische Material absorbiert und reflektiert Licht auf einzigartige Weise und erzeugt so ein erkennbares Spektrum, das Experten oft als „molekularen Fingerabdruck“ bezeichnen.
Kunststoffe haben beispielsweise im Infrarotbereich eine Reihe charakteristischer Absorptionslinien, die mit den Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen in den Polymerketten zusammenhängen. Verschiedene Kunststoffarten – Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol, Polyester und andere – weisen Nuancen in diesen Spektren auf, abhängig von der chemischen Struktur, der Farbe und eventuellen Additiven. Auf diese Weise lässt sich aus dem Orbit, zumindest theoretisch, nicht nur das Vorhandensein von Plastik, sondern auch die ungefähre Art des Polymers unterscheiden.
Damit Satelliten solche Signale unter realen Bedingungen jedoch automatisch erkennen können, ist eine umfassende und standardisierte Referenzspektrenbibliothek für eine Vielzahl von Abfällen erforderlich, die in der Umwelt vorkommen. Genau hier kommen Ashley Ohall und die neue Datenbank MADLib ins Spiel.
MADLib: Eine globale Bibliothek der Fingerabdrücke von Meeresmüll
Während eines Praktikums bei der NASA stellte die Meereswissenschaftlerin Ashley Ohall ein internationales Team von Forschern zusammen, um eines der Hauptprobleme bei der Fernerkundung von Meeresmüll zu lösen: das Fehlen einer einheitlichen, qualitativ hochwertig aufbereiteten Bibliothek der spektralen „Fingerabdrücke“ verschiedener Arten von Müll. Jahrelang hatten Labore weltweit die Reflexion von Plastik und anderen Materialien mit Handspektrometern gemessen, doch die Daten blieben über verschiedene Datenbanken, Tabellen und Publikationen verstreut, oft in uneinheitlichen Formaten.
MADLib – MArine Debris hyperspectral reference Library collection – entstand genau als Versuch, diese Daten zu bündeln. In einer Ende 2025 in der Fachzeitschrift Earth System Science Data veröffentlichten Arbeit geben die Autoren an, dass die Bibliothek 24.889 hyperspektrale Messungen von 3.032 Müllproben enthält, die aus 13 verschiedenen Datenquellen stammen. Darin befinden sich sowohl plastische als auch nicht-plastische Materialien: Seilstücke, Fischernetze, Reifen, Metalle, Schaumstoffe, Kork, Glas, aber auch typische Verpackungsteile wie Flaschen, Verschlüsse und Folien.
Besondere Aufmerksamkeit wurde dem Plastik gewidmet, da es den größten Anteil am Meeresmüll ausmacht. Die Bibliothek umfasst Spektren von 19 verschiedenen Polymeren, wobei die Proben in verschiedenen Zuständen aufgenommen wurden: fabrikneu, teilweise in der Sonne „verwittert“, von Algen bewachsen, nass und trocken und sogar in untergetauchtem Zustand im Wasser. Die Forscher standardisierten dabei streng die Art der Datenerfassung und -verarbeitung, damit spätere Algorithmen die Spektren aus dem Labor problemlos mit denen aus der Luft oder dem Weltraum vergleichen können.
In der Praxis funktioniert MADLib wie ein catalog: Wenn ein Satellit oder ein Flugzeug ein hyperspektrales Bild der Meeresoberfläche aufnimmt, kann ein Algorithmus jedes verdächtige Pixel mit Tausenden von bekannten „Fingerabdrücken“ aus der Bibliothek vergleichen. Wenn das Signal mit einem bestimmten Plastiktyp oder einem anderen Abfall übereinstimmt, kann das System mit einem gewissen Grad an Zuverlässigkeit markieren, dass ein konkreter Materialtyp auf der Meeresoberfläche vorhanden ist.
Warum Plastik im Ozean schwieriger zu finden ist als auf einer Deponie
Wenn Plastik auf Deponien und in Gewächshäusern gesehen werden kann, liegt die Frage nahe, warum wir es nicht genauso leicht auf der Meeresoberfläche finden können. Die Antwort liegt in der Physik des Lichts und den Besonderheiten der Wasserumgebung.
Meerwasser absorbiert Infrarotstrahlung stark, genau jenen Bereich des Spektrums, in dem Kunststoffe ihre ausgeprägtesten Merkmale haben. Während Plastikgegenstände auf dem Trockenen für EMIT und ähnliche Instrumente deutlich sichtbar sind, wird ihr Infrarotsignal schlagartig schwächer, sobald sie im Wasser landen. Zusätzliche Probleme verursachen Wellen, Schaum und die Reflexion des Sonnenlichts („Sun Glint“) auf der Oberfläche, die subtile Unterschiede im Spektrum zwischen Plastik und beispielsweise Meeresalgen oder natürlichem organischem Material überdecken können.
Eine weitere Schwierigkeit ist das Ausmaß des Problems. Obwohl in den Medien oft die großen „Müllinseln“ wie jene im Nordpazifik hervorgehoben werden, befindet sich der Großteil des Plastiks in Form von relativ kleinen Fragmenten, die über einen riesigen Raum verstreut sind. Ein hyperspektraler Satellit, der aus einer Höhe von mehreren hundert Kilometern die Meeresoberfläche beobachtet, muss gleichzeitig:
– sehr kleine Objekte in Pixeln von der Größe einiger Dutzend Meter auflösen
– deren Spektrum von oft sehr ähnlichen natürlichen Materialien unterscheiden
– mit Änderungen der Beleuchtung, der Wassertrübung und der atmosphärischen Bedingungen zurechtkommen.
Aus diesem Grund betonen Experten, dass EMIT und ähnliche Instrumente derzeit am besten bei landseitigen Quellen der Plastikverschmutzung funktionieren – beispielsweise an Flüssen, Deponien oder Industriezonen in Küstennähe –, wo der Hintergrund relativ „sauber“ ist und wo es möglich ist, Hotspots zu kartieren, bevor der Müll überhaupt das Meer erreicht.
Gleichzeitig werden jedoch Experimente durchgeführt, die Daten von mehreren Sensoren und verschiedenen Plattformen kombinieren – von Satelliten und Forschungsflugzeugen bis hin zu Drohnen und Messungen von Schiffen aus –, um eine optimale Strategie für die Erkennung von Plastik im Ozean selbst zu finden.
Satelliten, Flugzeuge und künstliche Intelligenz: Eine neue Generation von Werkzeugen
Die NASA und Partnerinstitutionen haben in den letzten Jahren erhebliche Anstrengungen in die Entwicklung von Algorithmen gesteckt, die aus Satellitenbildern automatisch „Inseln“ von Meeresmüll erkennen können. Zu diesem Zweck werden sowohl öffentlich zugängliche Bilder des europäischen Sentinel-2-Systems als auch kommerzielle Satelliten mit hoher räumlicher Auflösung genutzt. In einem der Projekte, das über das NASA-Programm IMPACT veröffentlicht wurde, Wissenschaftler trainieren tiefe neuronale Netze darauf, Müllflecken auf der Meeresoberfläche zu erkennen, indem sie Tausende von markierten Beispielen vergleichen.
Eine Schlüsselrolle in solchen Systemen spielen Referenzdatenbanken wie MADLib. Sie ermöglichen es, dass sich Algorithmen nicht nur auf das „Aussehen“ eines Objekts im sichtbaren Spektrum verlassen, sondern auch auf feinere Unterschiede im hyperspektralen Signal. In Zukunft wird erwartet, dass solche Modelle in Kombination mit neuen Missionen wie der 2024 gestarteten NASA-Mission PACE (Plankton, Aerosol, Cloud, ocean Ecosystem) eingesetzt werden, die ein weiteres fortsrittliches hyperspektrales Instrument zur Messung der Meeresfarbe in den Orbit bringt. Obwohl PACE nicht ausschließlich für Plastik konzipiert wurde, könnte seine Empfindlichkeit gegenüber Veränderungen der optischen Eigenschaften der Oberflächenschicht des Meeres dazu beitragen, Gebiete mit erhöhter Konzentration von Meeresmüll zu unterscheiden.
Parallel dazu werden auch spezialisierte Datensätze für maschinelles Lernen entwickelt, die Satellitenaufnahmen, Feldmessungen und manuell markierte Positionen von Meeresmüll kombinieren. Ziel ist es, ein robustes Ökosystem zu schaffen, in dem neue Algorithmen getestet und verglichen werden können und die Ergebnisse in echten operativen Systemen zur Meeresüberwachung genutzt werden können.
Von globalen Karten zu lokalen Entscheidungen
Warum ist es überhaupt wichtig zu wissen, wo genau sich die Meeresmüllstreifen befinden und welche Kunststoffarten dominieren? Die Antwort ist einfach: Ohne räumlich und zeitlich präzise Daten ist es schwierig, wirksame Maßnahmen zu entwerfen.
Wenn Satellitenbeobachtungen zeigen, dass sich bestimmte Kunststoffarten am stärksten an den Mündungen bestimmter Flüsse ansammeln, ist dies ein Signal an die lokalen Behörden, die Kontrolle von Deponien und Abfallsammelsystemen in diesen Einzugsgebieten zu verstärken. Wenn entdeckt wird, dass Fischerei- oder Aquakulturausrüstung einen erheblichen Teil des Abfalls in einem bestimmten Gebiet ausmacht, können Regulierungsbehörden die Politik auf bessere Kennzeichnungs- und Rückgabestandards für Ausrüstung, Pfandsysteme oder Anreize für Alternativen ausrichten.
Die Kartierung von Plastik-„Hotspots“ in der Nähe von Tourismusregionen hilft bei der Planung von Strandreinigungen und Bildungskampagnen, und Informationen über die Materialarten können entscheidend für die Recyclingindustrie sein, die Technologien zur Verarbeitung spezifischer Polymere entwickelt. Für Wissenschaftler eröffnen solche Daten die Möglichkeit, die Bewegung von Abfällen mit Meeresströmungen, Klimamustern und Ökosystemveränderungen zu verknüpfen.
Deshalb betonen Experten, dass die heutige Arbeit an EMIT und MADLib erst die Anfangsphase ist: Damit die hyperspektrale Technologie wirklich in das täliche Meeresmanagement integriert werden kann, müssen Satellitendaten mit lokalem Monitoring, dem rechtlichen Rahmen und wirtschaftlichen Entscheidungen verknüpft werden.
Menschen hinter der Technologie: Motivation und Hoffnung
Hinter den Zahlen und technischen Begriffen stehen konkrete Menschen. Ashley Ohall, ursprünglich aus Florida, wuchs an einer Küste auf, an der die Spuren von Plastik immer offensichtlicher werden. In Erklärungen anlässlich der Veröffentlichung von MADLib betonte sie, dass es ihr Ziel sei zu zeigen, wie die Fernerkundung zu einem zuverlässigen Werkzeug für die Überwachung von Meeresmüll werden kann – und dass die Tatsache, dass etwas bisher nicht möglich war, nicht bedeutet, dass es in Zukunft nicht verwirklicht werden kann.
Auf der Ebene des NASA-Hauptquartiers in Washington werden die Programme, die solche Forschungen unterstützen, innerhalb der Abteilungen für Ozeanographie und Biogeochemie koordiniert. Die Programmwissenschaftlerin Kelsey Bisson betont, dass Menschen eine intuitive, fast emotionale Verbindung zum Meer und seiner Gesundheit haben und dass es genau deshalb die Aufgabe der Behörde ist, fortschrittliche Technologie zu nutzen, um auf diese globale Herausforderung zu reagieren. In ihrer Perspektive ist die Überwachung von Meeresmüll eine natürliche Fortsetzung der Tradition der NASA, Satelliten zur Lösung gesellschaftlich wichtiger Probleme einzusetzen – von der Luftqualität bis zur Ernährungssicherheit.
Eine ähnliche Einstellung teilt auch die breitere wissenschaftliche Gemeinschaft, die in internationalen Arbeitsgruppen für die Fernerkundung von Meeresmüll zusammengeschlossen ist. Offener Zugang zu Daten, eine transparente Methodik und die Zusammenarbeit zwischen Ozeanographen, Fernerkundungsexperten, Programmierern und Entscheidungsträgern sind Voraussetzungen dafür, dass Techniken wie die hyperspektrale Bildgebung überhaupt außerhalb des Labors angewendet werden können.
Was folgt: Vom Prototyp zum operativen System zum Schutz der Ozeane
Derzeit bilden die Fähigkeit von EMIT, Plastik an Land zu erkennen, und die Bibliothek MADLib, die fast 25.000 Spektralaufzeichnungen standardisiert, die Grundlagen eines künftigen Systems zur Überwachung von Meeresmüll aus der Luft und aus dem Weltraum. Auf diesen Grundlagen werden bereits Prototypen von Algorithmen erstellt, die verschiedene Satellitenmissionen, Wettermodelle und Feldmessungen zusammenführen werden.
Die nächsten Schritte umfassen:
- weiterer Ausbau der Spektraldatenbanken, insbesondere für Kunststoffe unter verschiedenen Bedingungen im Meer (Algenbewuchs, Biofilm, verschiedene Wassertiefen über dem Müll)
- Entwicklung von Methoden, die hyperspektrale Daten mit mehreren Spektren und hochauflösende visuelle Aufnahmen kommerzieller Satelliten kombinieren
- Abstimmung neuer Satellitenmissionen – wie PACE und geplanter spezialisierter Missionen zur Überwachung von Meeresmüll – auf die Bedürfnisse von Küstenstaaten und internationalen Organisationen
- Aufbau von Betriebszentren, die Daten in Echtzeit oder in naher Echtzeit in praktische Karten und Warnungen für zuständige Behörden umwandeln
Obwohl der Weg zu diesem Ziel lang ist, die Kombination aus präzisen Spektraldaten, fortschrittlichen Algorithmen und immer leistungsfähigeren Satellitensensoren bietet eine neue Art von „Radar“ für Plastik – eines, das nicht von gelegentlichen Expeditionen und manueller Probenahme abhängt, sondern kontinuierlich den gesamten Planeten überwachen kann. In einer Welt, in der Plastik zunehmend Ökosysteme formt, könnte die Fähigkeit, vom Weltraum aus zu verfolgen, wo es sich befindet und wohin es reist, zu einem der wichtigsten Werkzeuge bei den Bemühungen werden, die Gesundheit der Ozeane für künftige Generationen zu erhalten.
Quellen:- NASA / Phys.org – Bericht über die Nutzung des EMIT-Sensors zur Detektion von Plastikmüll und die Entwicklung der Spektralbibliothek MADLib link- NASA – offizielle Seite der EMIT-Mission mit Beschreibung des Instruments, der Ziele und des Status der Mission auf der Internationalen Raumstation link- Earth System Science Data – wissenschaftliche Arbeit „The MArine Debris hyperspectral reference Library collection (MADLib)“ (Ohall et al., 2025), Beschreibung der Datenbank mit 24.889 Spektren aus 3.032 Müllproben link- 4TU Research Data – Repository mit dem kompletten Datensatz der MADLib-Spektren und den zugehörigen Metadaten für die Entwicklung von Fernerkundungsalgorithmen für Meeresmüll link- NASA Earthdata / NASA IMPACT – Projekte und Blog-Beiträge zur Nutzung von künstlicher Intelligenz und kommerziellen Satelliten zur Detektion von Meeresmüll sowie der breitere Kontext der Fernerkundung von Meeresmüll link- UNEP – Überblick über die Plastikverschmutzung der Meere und Schätzungen, dass jährlich mehr als 11 Millionen Tonnen Plastik in die Ozeane gelangen, mit Fokus auf die Notwendigkeit einer globalen Antwort link
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Erstellungszeitpunkt: 4 Stunden zuvor