Wie findet ein im Weltraum fliegendes Raumschiff den Weg nach Hause?

Nachdem ein Raumfahrzeug in den Weltraum eingetreten ist, muss es jeden Tag eine unerschütterliche Aufgabe erfüllen: die kontinuierliche Überprüfung der Entfernung zwischen sich selbst und der Erde.

Dadurch soll das Bodenkontrollzentrum den Standort des Raumfahrzeugs besser nachvollziehen können, da es sonst nicht leicht wäre, den Weg nach Hause zu finden, wenn man sich im Weltraum verirrt.

Daher sendet das Kontrollzentrum auf der Erdoberfläche kontinuierlich Signale an das Raumfahrzeug (das Signal bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit), und wenn das Raumfahrzeug es empfängt, antwortet es ebenfalls.

Anschließend misst das Bodenkontrollzentrum die für die bidirektionale Übertragung des Signals erforderliche Zeit und kombiniert diese mit der Formel zur Entfernungsberechnung (Geschwindigkeit mal Zeit). So kann es Flugbahn, Position und Richtung des Raumfahrzeugs berechnen.

Es mag kompliziert erscheinen, aber wenn man es vereinfacht, ist es unserem täglichen Leben tatsächlich sehr ähnlich.

Angenommen, Ihr Arbeitsplatz liegt 10 Gehminuten von Ihrem Zuhause entfernt und Sie wissen, dass Sie in 1 Minute 400 Meter laufen können, können Sie die Entfernung zwischen Ihrem Zuhause und dem Unternehmen ungefähr berechnen. Wenn Sie das Haus für 7 Minuten verlassen, wissen Sie, wie weit Sie vom Unternehmen entfernt sind.

Normalerweise messen wir diese 7 Minuten mit den Uhren, die wir in unserem täglichen Leben verwenden.

Allerdings kann die Zweiwege-Übertragungszeit zwischen dem Raumfahrzeug und dem Bodenkontrollzentrum mit den Uhren, die wir im Alltag verwenden, nicht genau gemessen werden.

Gemäß den Standards der Weltraumnavigation müssen die zur Zeitmessung verwendeten Uhren eine sehr gute Stabilität aufweisen. Diese Stabilität bedeutet, dass die Uhr innerhalb eines bestimmten Zeitraums weiterhin eine Zeiteinheit genau messen kann. Beispielsweise muss die Länge einer Sekunde über Tage oder sogar Wochen hinweg gleich bleiben.

Die meisten unserer heutigen Uhren verwenden zur Zeitmessung im Allgemeinen Quarzoszillatoren.

Diese Oszillatoren nutzen den „piezoelektrischen Effekt“ von Quarzkristallen. Wenn Spannung an sie angelegt wird, vibrieren die Quarzkristalle mit einer genau bestimmten Frequenz . Diese Vibration ähnelt dem Schwingen einer antiken Pendeluhr und stellt somit die Spuren der Zeit dar.

Leider sind Quarzuhren nicht sehr stabil. Selbst Quarzoszillatoren höchster Qualität können bereits nach einer Stunde eine Milliardstel Sekunde und nach sechs Wochen eine ganze Mikrosekunde abweichen .

Dies würde zu enormen Fehlern bei der Messung der Position eines sich schnell bewegenden Raumfahrzeugs führen.

Daher wird für die Weltraumzeitmessung die genaueste Uhr verwendet, die es heute auf der Erde gibt – die Atomuhr .

Was ist eine Atomuhr?

Seit den 1950er Jahren sind bodengebundene Atomuhren der Goldstandard für die Zeitmessung.

1948: Die erste Atomuhr der Welt

Im Jahr 1967 verabschiedete die Generalkonferenz für Maß und Gewicht eine Resolution zur Änderung der ursprünglichen Definition der Zeiteinheit „Sekunde“, die auf der makroskopischen periodischen Bewegung von Himmelskörpern beruhte, auf die Dauer von 9.192.631.770 Strahlungszyklen, die dem Übergang zwischen zwei Hyperfeinstruktur-Energieniveaus des Grundzustands des Cäsium-133-Atoms entsprechen.

Vereinfacht ausgedrückt wissen wir, dass ein Atom aus einem Kern (Protonen und Neutronen) besteht, der von Elektronen umgeben ist.

Diese den Kern umkreisenden Elektronen sind nicht stabil. Wenn sie mit Energie in Form von Mikrowellen getroffen werden, steigen sie in höhere Umlaufbahnen (Energieniveaus) um den Kern auf .

Die Anregungsenergie zwischen zwei Umlaufbahnen (Energieniveaus) ist jedoch festgelegt . Es darf weder zu viel noch zu wenig sein. Daher müssen Elektronen genau die richtige Energiemenge erhalten, um den Übergang abzuschließen. Glücklicherweise haben Mikrowellen eine bestimmte Frequenz .

Darüber hinaus ist die Energie, die erforderlich ist, damit ein Elektron seine Umlaufbahn (sein Energieniveau) ändert, für jedes Element einzigartig und im gesamten Universum gleich . Beispielsweise ist die Frequenz, die erforderlich ist, um ein Elektron in einem Wasserstoffatom zu einem Wechsel des Energieniveaus zu bewegen, für jedes Wasserstoffatom im Universum gleich.

Gerade weil der Energieunterschied zwischen diesen Bahnen (Energieniveaus) in Atomen sehr genau und stabil ist, können Atomuhren Zeitmessfähigkeiten erreichen, die die von Quarzuhren weit übertreffen.

Atomuhren für die Weltraumnavigation

Obwohl Atomuhren verwendet werden können, um die für die bidirektionale Signalübertragung erforderliche genaue Zeit zu ermitteln, besteht derzeit ein peinliches Problem.

Bei dieser Methode der Zweiwege-Signalübertragung muss das Raumfahrzeug, unabhängig von seiner Entfernung zur Erde, warten, bis das Signal mit den Anweisungen der Erde die ultralange Distanz im riesigen Universum überwunden hat, bevor es den nächsten Schritt unternehmen kann .

Diese Szene ist nicht eingebildet. Dies geschah, bevor die Raumsonde Curiosity auf dem Mars landete. Es dauerte 14 Minuten, bis Curiosity das vom Kontrollzentrum auf der Erde gesendete Signal „Bestätigte Landung“ empfing.

Bei dieser Verzögerung handelt es sich um eine durchschnittliche Wartezeit: Sie hängt von den Positionen der Erde und des Mars auf ihren Umlaufbahnen um die Sonne ab.

Und dieses Problem ist nicht nur peinlich, es wird auch relativ große Auswirkungen auf zukünftige bemannte Weltraummissionen zu anderen Planeten haben.

Aus diesem Grund experimentierte die NASA mit einer Methode: der Installation einer Atomuhr direkt auf einem Raumschiff, auch als Deep Space Atomuhr bekannt.

Zu diesem Zeitpunkt muss das Raumfahrzeug lediglich das Signal vom Bodenkontrollzentrum empfangen und die darin befindliche Atomuhr kann die für die Signalübertragung benötigte Zeit präzise und zeitnah ermitteln. Anschließend können die Astronauten im Raumschiff ihre eigene Position und Flugbahn berechnen und ihre Richtung im Weltraum bestimmen.

Tatsächlich ist die Installation von Atomuhren in Raumfahrzeugen nichts Neues. Aktuelle Navigationssatelliten (wie beispielsweise Chinas Beidou-Satelliten) sind mit Atomuhren ausgestattet.

Wenn wir die Navigationssoftware auf unseren Mobiltelefonen verwenden, kann die Atomuhr auf dem Satelliten unsere Position auf der Erde anhand der Zeit berechnen, die das Mobiltelefonsignal benötigt, um an den Satelliten gesendet zu werden, und dann in Kombination mit der 3D-Karte eine Navigationsfunktion bereitstellen.

Der Hauptgrund dafür, dass die Atomuhren auf Satelliten nicht verwendet werden, liegt darin, dass sie nicht stabil genug sind. Auch wenn sich Atome in einer Vakuumumgebung befinden, können sie dennoch durch externe Faktoren wie Temperatur und Magnetfeld beeinflusst werden, was zu Frequenzfehlern führt .

Allerdings verwendet die Weltraum-Atomuhr keine neutralen Atome, sondern Quecksilberionen, die über eigene Elektronen verfügen. Auf diese Weise werden die Quecksilberionen durch die „Ionenfalle“ geschützt, um äußere Einflüsse zu reduzieren.

Laut Bodentests der NASA ist die Stabilität der Quecksilberionen-Atomuhr im Weltraum 50-mal höher als die der Atomuhr auf dem GPS-Satelliten.

Bei Missionen zu weit entfernten Zielen wie dem Mars oder anderen Planeten wird diese hochpräzise Atomuhr Raumfahrzeuge freisetzen und eine automatische Navigation im Weltraum ermöglichen.

Vielleicht gelingt es Menschen noch zu unseren Lebzeiten, auf dem Mars zu landen.