Die am weitesten vom Menschen entfernte Sonde sendet eine Reihe wiederholter, verstümmelter Codes zur Erde

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Am 12. Dezember 2023 gab die NASA bekannt, dass einer der drei Bordcomputer der Sonde Voyager 1, das Flight Data System (FDS), eine Fehlfunktion aufwies und begann, wiederholt eine bestimmte Kombination aus 1- und 0-Codes zur Erde zu senden , als ob er „feststecken“ würde.

Konzeptkarte von Voyager 1 (Bildquelle: NASA)

Das FDS wird zum Sammeln von Daten wissenschaftlicher Instrumente und technischer Daten über den Status von Voyager 1 verwendet, die verpackt und dann von einem Subsystem des FDS, der Telemetry Modulation Unit (TMU), in binärer Form aus Einsen und Nullen zur Erde zurückgesendet werden.

Derzeit kann Voyager 1 noch Befehle von der Erde empfangen und ausführen, aber keine wissenschaftlichen und technischen Daten zur Erde zurücksenden. Nach dem Fehler versuchte das Voyager-Team, den Computer neu zu starten und den Zustand vor dem Fehler wiederherzustellen, aber Voyager 1 konnte die Daten immer noch nicht normal zurückgeben.
Erst im Mai 2022 kam es auch bei Voyager 1 zu einer Fehlfunktion des Attitude Attachment and Control System (AACS), und die Daten, die es an den Missionscontroller übermittelte, spiegelten nicht den tatsächlichen Zustand der Sonde wider. Später fand das Ingenieurteam die Ursache des Problems und stellte die normale Funktion von AACS anhand von Anweisungen wieder her.

Instrumente auf Voyager (Bildnachweis: NASA)

Seit dem Start von Voyager 1 im Jahr 1977 mussten die Ingenieure bei der Entwicklung ihrer Pläne Dokumente von vor Jahrzehnten durchgehen . Sie müssen feststellen, wie sich die neu gestarteten Befehle auf den Betrieb von Voyager 1 auswirken, um unerwartete Folgen zu vermeiden.

Darüber hinaus ist Voyager 1 derzeit mehr als 24 Milliarden Kilometer von der Erde entfernt und die von der Erde gesendeten Befehle benötigen 22,5 Stunden, um anzukommen . Dies bedeutete, dass das Ingenieurteam 45 Stunden warten musste, bevor es eine Antwort von Voyager 1 erhielt, um festzustellen, ob der Befehl erfolgreich ausgeführt worden war. Das Ingenieurteam sagte, es könne mehrere Wochen dauern, bis eine Lösung gefunden sei.

Alles beginnt mit den „Vier Sternen, die miteinander verbunden sind“

Im Jahr 1965 arbeitete Gary Flandro, ein Doktorand der Luftfahrt am California Institute of Technology, in Teilzeit am Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA. Er entdeckte , dass Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun in den späten 1970er und frühen 1980er Jahren einen langen Bogen mit der Erde bilden würden.

Dieser Zufall bedeutet, dass ein Raumschiff durch die Schwerkraft jedes Riesenplaneten einen Geschwindigkeitsschub erhält, wenn es an ihm vorbeifliegt. Flandreau berechnete, dass solche wiederholten Schwerkraftunterstützungen die Flugzeit des Raumfahrzeugs zwischen der Erde und Neptun von 30 auf 12 Jahre verkürzen könnten . Diese Planetenkonjunktion tritt nur alle 176 Jahre auf, daher müssen wir die Gelegenheit nutzen.

Um diese einmalige Gelegenheit zu nutzen, entwarf die NASA zwei identische Raumfahrzeuge, Voyager 1 und Voyager 2, und startete sie im Sommer 1977 im Abstand von 15 Tagen. Zuvor hatte nur ein Raumfahrzeug, Mariner 10, die Schwerkraft genutzt, um einen anderen Planeten zu erreichen. Voyager benötigt nicht nur mehrere Schwerkraftunterstützungen, sondern muss auch den Fehlerbereich innerhalb von zehn Minuten halten, was zeigt, wie schwierig dies ist.

Mariner 10 (Bildquelle: NASA)

Um diese Herausforderungen zu meistern, statteten die NASA-Ingenieure die Computer der Voyager mit 69 Kilobyte Speicher aus . „Der Speicher in den Computern der Voyager ist kleiner als ein Autoschlüsselanhänger“, sagte Linda Spilker, eine Planetenwissenschaftlerin am JPL. Um genügend Speicher zum Aufnehmen neuer Bilder zu haben, muss Voyager bei jedem Senden zur Erde alte Daten löschen.

Die Daten werden auf einem Achtspur-Magnetbandspeichergerät im Inneren von Voyager gespeichert und von einem 23-Watt-Sender, was etwa der Leistung einer Kühlschrankglühbirne entspricht, zur Erde zurückgesendet . Um die fehlende Sendeleistung auszugleichen, sind beide Voyager mit Parabolantennen von etwa 3,66 Metern Breite zum Senden und Empfangen von Signalen ausgestattet.

Große Reise

Voyager 1 erreichte Jupiter im März 1979, 546 Tage nach dem Start. Auch Voyager 2 traf im Juli desselben Jahres auf einer anderen Flugbahn ein. Sie sind mit lichtgeführten Kameras ausgestattet, die mithilfe von Rot-, Grün- und Blaufiltern Vollfarbbilder aufnehmen.

Als Voyager etwa drei bis vier Monate von Jupiter entfernt war, schickten sie das erste Foto von Jupiter zurück. Auf dem Foto erscheint Jupiters drittgrößter Satellit Io orange und schwarz, was völlig unerwartet ist . Wissenschaftler haben immer geglaubt, dass alle Satelliten im Sonnensystem eine eintönige Farbe und Unebenheiten aufweisen, doch Voyager hat allen gezeigt, wie farbenfroh die Satellitenlandschaft um Jupiter und Saturn ist.

Bild von Io, aufgenommen von Voyager 1 (Bildnachweis: NASA)

Insgesamt hat Voyager mehr als 33.000 Fotos von Jupiter und seinen Monden gemacht . Durch diese Fotos entdeckten Wissenschaftler, dass es auf Io aktive Vulkane gibt, deren vulkanische Aktivität zehnmal so hoch ist wie auf der Erde, und dass die Strahlhöhe des größten Vulkans 30 Mal höher ist als die des Mount Everest. Europa ist von einer etwa 100 Kilometer dicken, rissigen Eisschicht bedeckt.

In der Nähe des Saturn trennten sich die Wege der beiden Voyager. Voyager 1 raste durch die Ringe des Saturn, flog an Titan vorbei und verließ dann die Planetenebene des Sonnensystems. Voyager 2 setzte seine Reise in Richtung Uranus und Neptun allein fort. Voyager 1 nimmt seine letzte Bilderserie auf, bevor es in den interstellaren Raum unserer Milchstraße eintritt.

Am Valentinstag 1990 richtete Voyager 1 seine Kamera auf das innere Sonnensystem und machte diese letzten 60 Fotos. Das einprägsamste davon ist der „ Pale Blue Dot “, den der Astronom Carl Sagan nannte: das am weitesten von der Erde entfernte Porträt, das je aufgenommen wurde (mehr als 6,1 Milliarden Kilometer). Die Erde ist auf dem Bild kaum zu erkennen und nimmt nicht einmal einen einzigen Pixel ein, da das starke Sonnenlicht, das von der Optik der Kamera reflektiert wird, das gesamte Bild verdeckt.

„Blassblauer Punkt“ (Bildnachweis: NASA)

Flug in den interstellaren Raum

Jeden Tag fliegt Voyager weitere 3 bis 4 Lichtsekunden. Die einzige Verbindung der Voyager zur Erde ist das Deep Space Network der NASA, ein Netzwerk aus drei Tracking-Komplexen rund um den Globus, die eine ständige Kommunikation mit der Raumsonde gewährleisten, während sich die Erde dreht.

Je weiter sich die Voyager räumlich und zeitlich von uns entfernen, desto schwächer werden ihre Signale. Auf der Erde ist es laut: Fernseher, Mobiltelefone usw. erzeugen Lärm. Infolgedessen wird es für uns immer schwieriger, Signale von Voyager zu empfangen . Obwohl diese Signale extrem schwach sind, haben die Entdeckungen, die sie ermöglicht haben, die Erwartungen der Astronomen bei weitem übertroffen.
Wie alle Sterne sendet die Sonne kontinuierlich geladene Teilchen und Magnetfelder aus, die den Sonnenwind bilden. Der Sonnenwind bläst wie ein aufgeblasener Ballon mit Überschallgeschwindigkeit von der Sonne und bildet das, was Astronomen die Heliosphäre nennen. Vor Voyager gab es unter den Wissenschaftlern sehr unterschiedliche Schätzungen der Entfernung zum Rand des interstellaren Raums, der sogenannten Heliopause .

Im Jahr 1993 berechnete der Physiker Donald Gurnett, dass die Entfernung zur Heliopause 116 bis 117 Astronomische Einheiten (AE, 1AE bezieht sich auf die durchschnittliche Entfernung von der Erde zur Sonne, entsprechend 150 Millionen Kilometern) betragen müsste, doch seine Meinung wurde von seinen Kollegen nicht anerkannt. Das Bodenteam hat darauf gewartet, dass Voyager die Spitze der Heliosphäre erreicht und ein interstellares Magnetfeld erkennt, das in eine andere Richtung weist als das Magnetfeld der Heliosphäre.

Voyager und die Heliosphäre (Bildnachweis: NASA)

Am 25. August 2012 überquerte Voyager 1 schließlich die Heliopause, eine Entfernung, die im Wesentlichen mit Gurnetts Schätzung übereinstimmte. Es wurde auch der von den Wissenschaftlern erwartete Anstieg der Plasmadichte festgestellt, jedoch keine Änderung der Richtung des umgebenden Magnetfelds . Als Voyager 2 im November 2018 den interstellaren Rand erreichte, konnte es die Veränderung ebenfalls nicht erkennen, und der Zeitpunkt seiner Ankunft entsprach nicht den Vorhersagen irgendeines theoretischen Modells.
Daher liefert Voyager theoretischen Physikern echte Magnetfelddaten und macht das theoretische Modell der Wechselwirkung zwischen der Heliosphäre und dem interstellaren Raum vollständiger und komplexer. Darüber hinaus können diese interstellaren Sonden den Wissenschaftlern auch dabei helfen, eine der grundlegendsten Fragen zur Heliosphäre zu beantworten: Wie ist die Heliosphäre aufgebaut, wenn man sie von außen betrachtet?
Mittlerweile gibt es an Bord der Voyager immer weniger Instrumente, die ordnungsgemäß funktionieren.

Alle diese Instrumente werden von demselben Gerät angetrieben, das die durch den radioaktiven Zerfall von Plutonium erzeugte Wärme in Elektrizität umwandelt. Da die Ausgangsleistung jährlich um 4 Watt abnahm, war die NASA gezwungen, ein Leistungsreduzierungsmodell einzuführen. Vor einigen Jahren schalteten Ingenieure die Heizungen für die Voyager-Kosmische-Strahlung-Detektoren ab.

„Voyager“-Zeitleiste (Bildquelle: NASA)

Selbst wenn Voyager 1 eines Tages in völliger Stille versinken sollte, wird seine Reise weitergehen. In 16.700 Jahren wird er an unserem nächsten Stern, Proxima Centauri, vorbeiziehen . Anschließend wird er noch Millionen von Jahren lang die Milchstraße umkreisen. Selbst wenn Sonne und Erde nicht mehr existieren würden, würde er seine Reise durch die Milchstraße fortsetzen.

Vielleicht werden irgendwann in der Zukunft nichtmenschliche Lebewesen im interstellaren Raum die letzte von Voyager gesendete Nachricht empfangen – die „Golden Record“ . Durch die Golden Record erfahren sie, woher die Voyager kam, erfahren etwas über die Lebewesen, Sehenswürdigkeiten, Geräusche und Kultur der Erde und erhalten eine Botschaft des ehemaligen US-Präsidenten Jimmy Carter:
Wir senden diese Botschaft ins Universum in der Hoffnung, dass wir uns eines Tages, nachdem wir die Schwierigkeiten überwunden haben, der Gemeinschaft der Zivilisationen in der Milchstraße anschließen können. Diese Aufzeichnung wird unsere Hoffnung, unsere Entschlossenheit und unseren guten Willen im weiten und ehrfurchtgebietenden Universum verbreiten.

„Golden Record“ (Bildquelle: NASA)

Verweise

[1]https://blogs.nasa.gov/sunspot/2023/12/12/engineers-working-to-resolve-issue-with-voyager-1-computer/

[2]https://www.smithsonianmag.com/smart-news/nasas-voyager-1-is-glitching-sending-nonsense-from-interstellar-space-180983448/

[3]https://www.nasa.gov/missions/voyager-program/voyager-2/engineers-solve-data-glitch-on-nasas-voyager-1/

[4]https://edition.cnn.com/2023/12/13/world/voyager-1-computer-issue-scn/index.html

[5] Global Science, August 2022: „Voyager: Der letzte Abschied“

Planung und Produktion

Quelle: Global Science (id: huanqiukexue)

Geschrieben von Huang Yujia

Herausgeber: Wang Mengru