Wie kann man die „kosmische Ebene der Richtungslosigkeit“ auf einmal heilen? Wissenschaftler haben das herausgefunden ...

Wer bist du? Reisender...

Wo bist du? Draußen...

Wo gehst du hin? Geh weit weg...

Wenn jemand diese Antworten auf die drei tiefgründigen Fragen gibt, ist das keine große Sache. Wer hat nicht schon einmal eine Phase der Verwirrung und Rebellion durchgemacht? Aber wenn ein Raumschiff die Frage so beantworten würde, würden die Wissenschaftler am Boden sofort durchdrehen. Wenn Sie den riesigen Ozean der Sterne erkunden möchten, ist es eine grundlegende Aufgabe, immer Ihren Standort zu kennen. Dies ist jedoch leichter gesagt als getan. Lassen Sie uns unten kurz darüber sprechen.

Reisender. Bildquelle: NASA

Wie findet man im Weltraum den „Norden“?

Stellen wir uns ein Experiment wie dieses vor: Ziehen Sie in Ihrem Wohnzimmer die Vorhänge so fest zu, dass Sie Ihre Hand vor sich nicht sehen können. Dann nimmt der Moderator mit Nachtsichtbrille Ihre Hand, lässt Sie ein paar Schritte nach links und rechts im Raum gehen und sich dann ein paar Mal umdrehen. Kurz gesagt, er wird sich willkürlich bewegen, um sicherzustellen, dass Ihnen völlig schwindelig wird. Wenn ich Sie bitte, mir Ihren Standort mitzuteilen und die Richtung der Tür zu zeigen, können Sie das trotzdem tun? Warum sagen wir sonst „völlig verwirrt und verloren“?

Zu diesem Zeitpunkt stellte der Gastgeber eine kleine fluoreszierende Kugel mit sehr schwachem Licht auf, die nur einen kleinen Bereich auf dem Tisch beleuchten konnte, und sagte: „Dies ist Ihr Esstisch.“ Können wir sofort die Richtung der Tür zeigen? Ich fürchte, das wird nicht funktionieren, da wir anhand dieser einen Markierung unseren Standort nicht ermitteln können.

Nun holt der Moderator einen kleinen Leuchtball hervor und sagt: „Hier steht das Sofachen, auf dem du am liebsten sitzt.“ Jetzt werden unsere Navigationsfähigkeiten sofort aktiviert und wir können den Standort jedes Einrichtungsgegenstands im Haus anzeigen. Mithilfe dieser beiden kleinen Lichter können wir sogar rückwärts zur Tür gehen. Dies liegt daran, dass wir für einen Ort wie einen Raum, der auf eine flache Karte vereinfacht werden kann, unsere Position anhand von zwei klaren Bezugspunkten bestimmen können.

Die Frage ist also: Wie erkennt eine Sonde, die sich im ziellosen Raum bewegt, ihre Position und Richtung – wer bin ich? Wo bin ich? Wohin gehe ich? Die Art und Weise, wie ein Raumschiff seine eigene Position bestimmt, ähnelt der Art und Weise, wie wir es in einem kleinen dunklen Raum tun, mit dem Unterschied, dass es schwieriger ist, sich im riesigen dreidimensionalen Raum zu lokalisieren. Um sein Ziel präzise zu erreichen, müssen ihm genügend und eindeutige Referenzobjekte zur Verfügung gestellt werden, anhand derer er seine eigene Position, Fluglage und Flugrichtung beurteilen kann.

Nur wenn wir nach Hause blicken, können wir in die Ferne rennen

Nehmen Sie als Beispiel die berühmte Sonde Voyager 2. Es ist mit einem Sonnensensor und einem Canopus-Tracker ausgestattet, der die Position der Sonne und von Canopus, dem zweithellsten Stern am Himmel, verfolgt. Mit diesen beiden Sternen als Referenz können Reisende „rückwärts“ reisen, um das Sonnensystem und den weiten Weltraum zu erkunden.

Sie fragen sich vielleicht: Warum sollten wir den zweithellsten Stern verfolgen? Warum wählen Sie nicht Sirius, das auf Platz eins steht? Da Sirius zu nahe an der Ekliptik liegt, wird der Lichtweg leicht durch Blendung aus der Richtung der Sonne gestört. Canopus ist weit genug von der Sonne entfernt, um als idealer Orientierungspunkt zu dienen.

In den Tagen, als Voyager entwickelt wurde, war jedes Programm und jedes bisschen Speicher sehr wertvoll. Die Methode, mit der das System feststellte, dass „Canopus jetzt im Tracker erscheint“, war noch sehr primitiv: Es maß die Helligkeit des Sterns und übertrug sie zur Bestätigung an die Erde: „Ja, das ist es, beobachten Sie ihn weiter.“

Aufmerksame Leser werden hier innehalten und sagen: Moment mal! Sie sagten, Voyager habe Helligkeitsdaten zur Bestätigung an die Erde zurückgesendet? Da es sich bei den im Tracker angezeigten Daten jedoch nicht unbedingt um Canopus handeln muss und die Antenne des Detektors möglicherweise nicht auf die Erde zeigt, stellt sich die Frage, wie sichergestellt werden kann, dass die Erde die Daten empfangen kann.

Auch die Wissenschaftler gingen sehr gewissenhaft vor. Sie forderten die Reisenden auf, während der ersten 80 Tage der Mission mit der Erde über Antennen mit geringer Verstärkung und divergierenden Strahlen statt über Antennen mit hoher Verstärkung für die gerichtete Übertragung zu kommunizieren. Zu diesem Zeitpunkt war die Sonde noch nicht weit geflogen, sodass es, auch wenn sie nicht vollständig auf die Erde gerichtet war, keine Kommunikationsprobleme zwischen beiden Seiten gab.

Heutzutage, wo das Gedächtnis nicht mehr wertvoll ist, speichert man die Spektraldaten vieler heller Sterne im Detektor, sodass dieser seine eigene Beurteilung auf Grundlage von Helligkeit und Spektrum vornehmen kann.

Einige Hersteller von Sternentrackern erfassen die Winkelabstände zwischen hellen Sternen sogar in einer Datenbank. Da die Positionen heller Sterne sehr zufällig sind, ist jede Entfernungsangabe einzigartig und sehr zuverlässig. Wenn der Tracker beispielsweise zwei helle Sterne im Abstand von 27,1045° sieht, kann er durch eine Überprüfung in der Bibliothek sofort feststellen, dass es sich dabei um Sirius und Beteigeuze handelt. Nachdem die Identitäten beider schnell erfasst wurden, kann das System das Spektrum messen oder einen anderen Stern zum Vergleich suchen, um festzustellen, welcher Sirius und welcher Beteigeuze ist.

Voyager 2, es hat wirklich verloren …

Was würde also passieren, wenn ein Raumschiff im Flug plötzlich seine Position verliert? Eine Möglichkeit besteht darin, dass sie von ihrer Umlaufbahn abweichen und immer weiter wegdriften, bis sie verloren gehen und von einem Raumschiff gerettet werden können.

So wäre beispielsweise vor nicht allzu langer Zeit die legendäre Sonde Voyager 2, die 46 Jahre lang im Weltraum geflogen war, beinahe „verloren“ gegangen. Am 21. Juli schickte die NASA einige Anweisungen an Voyager 2, die jedoch einen Fehler enthielten, der dazu führte, dass die ursprünglich auf die Erde gerichtete Antenne um 2° abwich. Was ist das Konzept von 2°?

Wenn Sie Ihre Arme eine Zeit lang horizontal halten, werden Ihre Arme bei Ermüdung sicherlich zittern. Mit der Schulter als Achse weicht der Arm um 1°–2° nach oben und unten ab. Zu diesem Zeitpunkt beträgt die Abweichung der Fingerspitzen lediglich ein bis zwei Zentimeter. Dies liegt daran, dass der Arm eines Erwachsenen nur einen halben Meter lang ist. Voyager 2 ist jedoch 20 Milliarden Kilometer weit geflogen. Diese kleine Winkelabweichung von 2° führt dazu, dass das Zentrum seines Signalstrahls 700 Millionen Kilometer von der Erde abweicht – die Erde ist nämlich nur 150 Millionen Kilometer von der Sonne entfernt! Das Sprichwort „Ein Fehlschuss ist so gut wie eine Meile“ ist äußerst zutreffend, wenn man es auf das Universum anwendet. Infolgedessen verlor Voyager 2 den Kontakt.

Wissenschaftler auf der Erde schlugen sich voller Reue auf die Schenkel, während sie versuchten, es zurückzubekommen. Am 1. August entdeckten sie, dass das Deep Space Network, das mit Voyager in Kontakt stand, immer noch eine Spur des Trägersignals „Ich lebe noch“ riechen konnte. Am 3. August nutzten Wissenschaftler den 100-Kilowatt-S-Band-Uplink des Deep Space Network in Canberra, um in Richtung Voyager 2 zu schreien: „Drehen Sie Ihren Kopf um!“

Die Deep Space Network-Antenne in Canberra. Bildquelle: NASA

Obwohl das von Voyager 2 gesendete Signal von der Erde abwich, konnte die Erde seinen Standort nicht verwechseln und das Dröhnen traf sie mitten ins Schwarze. Obwohl es den Kopf neigte, hörte es es trotzdem. 37 Stunden nach der Befehlsausgabe empfing die Erde wieder das normale Signal von Voyager 2 und die Menschen fanden es tatsächlich wieder.

Wenn dieser Ruf nicht funktioniert hätte, wäre Voyager 2 dann für immer verloren gewesen? Tatsächlich ist die Wahrscheinlichkeit, ihn wiederzufinden, noch immer recht hoch, da er von Zeit zu Zeit seine Haltung korrigiert und seine Antenne neu auf die Erde ausrichtet. Der 15. Oktober ist gerade vorbei und war in unserem Plan ein solcher Tag, aber es ist trotzdem am besten, ihn nicht zu verpassen …

Feinabstimmung ist unerlässlich

Für ein Raumfahrzeug ist es wichtig zu wissen, wo es sich befindet. Darüber hinaus ist es wichtig, seine Fluglage zu kennen und anpassen zu können . Wenn ein Satellit, der zum Fotografieren der Erdoberfläche verwendet wird, auf den Kopf gestellt wird und es immer noch nicht weiß, dann ist alles umsonst. Dank des technologischen Fortschritts mangelt es uns glücklicherweise nicht an Technologien zur Ortung und Lagewahrnehmung im Raum.

Beispielsweise können kurzfristige Änderungen des Kurses, der Fluglage oder der Geschwindigkeit eines Raumfahrzeugs mithilfe von Gyroskopen und Beschleunigungsmessern erkannt werden. Gyroskope nutzen das Prinzip der Drehimpulserhaltung, um Richtungsänderungen zu erfassen, während Beschleunigungsmesser Geschwindigkeitsänderungen erfassen. Genau wie der geniale Junge, der im Film von Räubern entführt wurde, konnte er sogar mit verbundenen Augen sagen, wie viele Kurven das Auto nahm (Gyroskop) und auf wie viele Ampeln es wartete (Beschleunigungsmesser) und konnte anschließend die Polizei direkt zum Versteck der Räuber führen.

Die im vorherigen Artikel mehrfach erwähnten Sternpositionen geben dem Raumschiff nicht nur Aufschluss darüber, wo es sich befindet, sondern auch über seine aktuelle Lage. Genauso wie wenn wir in unserem eigenen Zimmer sind, wissen wir, dass wir flach liegen, sobald wir die Decke vor uns sehen, unsere Füße zur Wand zeigen und unseren Kopf an einer anderen Wand anlehnen, auch ohne die Schwerkraft zu berücksichtigen. Nachdem die Raumsonde ihre eigene Lage kennt, kann sie von jedem Punkt aus, an dem sie sich befindet, Beobachtungen durchführen.

Das Hubble Deep Field beispielsweise ist eine Zusammenstellung von 342 Bildern eines 2,6 Bogenminuten großen Bereichs im Sternbild Großer Bär, während das Kepler-Teleskop seinen Blick zwischen Schwan und Leier richtet.

Der vom Kepler-Teleskop beobachtete Bereich. Bildquelle: NASA

Bei Kommunikationssatelliten und Wettersatelliten, die in Erdnähe fliegen und ständig der Erde zugewandt sein müssen, ist bei jeder Erdumrundung ein Purzelbaum erforderlich. Neben der Verfolgung der Sterne oder der Verwendung von Gyroskopen zur Bestimmung der Lage gibt es einige kostengünstige und zuverlässige Methoden. Beispielsweise kann ein Infrarot-Horizontinstrument schnell den kreisförmigen Umriss der Erde erfassen, indem es die Infrarotstrahlung der Erdatmosphäre mit der des kalten Weltraums vergleicht, wobei der Mittelpunkt des Kreises der Boden direkt unter dem Raumfahrzeug ist.

Das Infrarot-Horizontinstrument erfasst die Kontur der Erde und bestimmt ihre eigene Lage durch Beobachtung des starken Anstiegs und Abfalls der Infrarotstrahlung. Der Satellit fliegt über Xi'an. Schematische Darstellung des Autors

Möglicherweise haben Sie noch Fragen zur Sternverfolgung: Sterne sind im dreidimensionalen Raum verteilt und nicht auf einer Kugel fixiert. Wie könnte selbst auf einer Kugel die Position der Sterne unverändert bleiben, während das Raumschiff durch den Weltraum rast? Wie kann ich es zur Referenz in die Datenbank einfügen?

Das liegt daran, dass die Sterne zu weit entfernt sind. Selbst der nächstgelegene Stern, Proxima Centauri, ist 4,22 Lichtjahre entfernt. Voyager 2 ist seit 46 Jahren im Flug und hat gerade ein Zweitausendstel der Entfernung zu Proxima Centauri erreicht! Das ist, als ob man uns in die Mitte eines Kreises mit einem Radius von zwei Metern setzt, uns auffordert, uns in 46 Jahren einen Millimeter zu bewegen, und uns fragt, ob wir dabei irgendwelche Veränderungen spüren. Aus der Perspektive der Raumsonde haben sich die Positionen der Sterne, mit Ausnahme der Sonne, kaum verändert.

Doch wenn unser Raumschiff ewig lebt oder wir einfach eine „wandernde Erde“ haben und weiterfliegen und beobachten, werden sich die Positionen der Sterne vor unseren Augen allmählich verändern, während wir zwischen den Sternen reisen. Auch die vertrauten Konstellationen werden verzerrt und die bestehenden Methoden zur Lagewahrnehmung werden unwirksam.

Natürlich gibt es zwei Lösungen. Eine Möglichkeit besteht darin, weiter entfernte Galaxien als Referenz zu verwenden. Sie sind zig Millionen Lichtjahre von uns entfernt, größer und daher stabiler. Die zweite Möglichkeit besteht darin, mehr Informationen über Sterne zu nutzen, nicht nur über ihre Position, sondern auch über ihre Entfernung, Eigengeschwindigkeit usw. Auf diese Weise kann das Raumfahrzeug selbst berechnen, wie sich die Position der Referenzsterne ändert, wenn es zu einem bestimmten Ort fliegt. Dazu müssen wir die Entfernungen zu Sternen sehr genau messen.

Zusammenfassen

Für ein Raumfahrzeug ist es wichtig, seine Position und Lage zu kennen. Dazu sind Referenzobjekte erforderlich. Die am häufigsten verwendeten Referenzobjekte sind Sterne. Während sich die Menschheit immer weiter in Richtung des Sternenmeeres bewegt, werden unsere Sternenkarten sicherlich immer genauer und größer werden und mehr Raumfahrzeugen dabei helfen, in die Ferne zu fliegen.

Planung und Produktion

Autor: Qu Jiong, populärwissenschaftlicher Autor

Rezension von Liu Yong, Forscher, National Space Science Center, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Planung – Ding Zong

Herausgeber: Bai Li