JENSEITS DER GRENZEN DES SONNENSYSTEMS

Die Erforschung des Weltraums ist das eindrucksvollste Beispiel für den Triumph der menschlichen Intelligenz und ihrer Beharrlichkeit bei der Erforschung der unerforschten Winkel des Universums. Vor nicht allzu langer Zeit, vor etwas mehr als einem Jahrhundert, war der „Flug zu den Sternen“ das Vorrecht von Science-Fiction-Autoren, aber bereits Ende der 1950er Jahre hatte das erste von Menschenhand geschaffene Objekt die Erdanziehung überwunden und war in die Erdumlaufbahn eingetreten. Damit begann der Wettlauf ins All.

In weniger als sieben Jahrzehnten ist es dem Menschen gelungen, eine unglaubliche Raumstation zu bauen, den Mond zu betreten und seine dunkle Seite zu fotografieren, mit dem Hubble-Teleskop^[1] in die Tiefen des Universums zu blicken und dank des James-Webb-Teleskops^[2] Bilder von anderen Galaxien zu sehen künstliche Satelliten zu starten und Details von Jupiter, Saturn und Merkur zu sehen, den Weltraumtourismus ins Leben zu rufen, zu lernen, so lange im All zu bleiben, wie man will, und ernsthaft über die Besiedlung anderer Planeten nachzudenken^[3].

Bis Ende 2022 wurden mehr als 260 verschiedene Raumfahrzeuge und Satelliten von verschiedenen Ländern gestartet^[4]. Nicht alle waren erfolgreich, aber jeder einzelne war ein kleiner Schritt auf dem Weg zur Erforschung des Weltraums. Fortschritte in der Raketentechnologie und der Weltraumnavigation waren die Schlüsselfaktoren, die es Raumfahrzeugen ermöglichten, große Entfernungen zurückzulegen und viele wissenschaftliche Entdeckungen zu machen. Wichtige Faktoren waren die Entwicklung leistungsstarker Raketentriebwerke, die Entwicklung der Weltraumnavigation und -kommunikation und schließlich die Entwicklung spezieller Antennen und Datenübertragungstechnologien, die es den Raumfahrzeugen ermöglichten, ihre Position zu bestimmen und über große Entfernungen mit der Erde zu kommunizieren^[5].

Der Flug zu den entferntesten Regionen des Sonnensystems wurde auch durch die Entdeckung der „Schwerkraftunterstützung“ ermöglicht. Dabei handelt es sich um eine Methode, bei der das Gravitationsfeld eines Planeten oder eines anderen großen Raumobjekts genutzt wird, um die Geschwindigkeit und die Flugrichtung eines Raumfahrzeugs zu ändern. Wenn sich ein Raumschiff einem Planeten nähert, nutzt es dessen Gravitationsfeld, um zusätzliche Geschwindigkeit zu gewinnen und so Treibstoff und Zeit für das Manövrieren im All zu sparen^[6]. Im wirklichen Leben wird diese Technik perfekt durch eine Partie Billard auf einem Spielbrett veranschaulicht.

Auf dem Weg zu den Sternen

Das unbekannte Gebiet am Rande des Sonnensystems^[7]

Im März 1972 startete das NASA-Raumfahrtprogramm Pioneer 10 eine Raumsonde, die während des größten Teils ihrer Mission das am weitesten von der Erde entfernte Objekt war, das jemals von Menschen gebaut wurde. Es war das erste Raumschiff, das einen unbekannten Asteroidengürtel durchquerte und sich im Dezember 1973 dem Jupiter näherte^[8]. Sein Hauptziel war die Erforschung des Gasriesen, seiner Satelliten, seiner Strahlungsgürtel und seines Magnetfelds^[9].

Die Sonde war mit einem Komplex von 11 Forschungsinstrumenten ausgestattet, um die geplanten Untersuchungen durchzuführen. Anfang Dezember 1973 befand sich „Pioneer 10“ in einer Entfernung von etwa 132.000 km am nächsten zum Jupiter, und zum Zeitpunkt der Annäherung funktionierten alle Systeme einwandfrei. „Pioneer“ gelang es, sich dem Planeten zu nähern, die notwendigen Daten zu sammeln und am Ende seiner Reise um den Gasriesen 500 Bilder des Planeten und seiner Satelliten zur Erde zu schicken^[10].

Pioneer 10 sendete seine letzten Daten im Jahr 2002 und empfing sein schwächstes Signal 2003, 31 Jahre nach dem Start, als er 12,21 Milliarden km von der Sonne entfernt war. Man vermutet, dass die Ursache für den Ausfall der Kommunikation die Erschöpfung der Energiequelle (der tragbare Kernreaktor) ist. Pioneer 10 setzt wahrscheinlich seine Reise in Richtung des Sterns Aldebaran jenseits des Sonnensystems fort und wird, wenn er auf keine Hindernisse stößt, in etwa 2 Millionen Jahren die Nähe des Sterns erreichen^[11].

Die Sonde Pioneer 11 wurde im April 1973 von der NASA gestartet. Ihre Aufgabe war es, das äußere Sonnensystem und das Ökosystem des Jupiters zu erforschen. Die zusätzliche Mission bestand darin, zum Saturn zu fliegen und dessen Ringe und Satelliten zu untersuchen. Pioneer 11 war mit den gleichen Forschungsinstrumenten wie seine Vorgängerin ausgestattet^[12]. Die Sonde näherte sich dem Jupiter bis auf 42 500 km, dreimal näher als ihr Vorgänger, machte zahlreiche Aufnahmen des Gasriesen (einschließlich des Planetenpols) und seiner Satelliten und zog anhand der gesammelten Daten Rückschlüsse auf die Grenzen der Magnetosphäre des Jupiters.

Unter Ausnutzung des Jupiter-Gravitationsfeldes nahm die Sonde Kurs auf den Saturn, dem sie sich fast fünf Jahre später näherte. Dort nahm sie mehr als 400 Bilder des Planetensystems auf, konnte die Gesamttemperatur des Planeten und seines Haupttrabanten Titan bestimmen, entdeckte einen neuen Satelliten und zog überraschende neue Schlüsse über die Atmosphäre und das Magnetfeld des Saturns^[13].

Ein Bild von Titan, aufgenommen von Pioneer 11^[14]

Nachdem Pioneer 11 den Saturn verlassen hatte, flog er in die entgegengesetzte Richtung zu seinem Vorgänger, zum Stern Deneb im Sternbild Aquila, den er in etwa 4 Millionen Jahren erreichen sollte^[15]. Zweiundzwanzig Jahre nach seinem Start ist Pioneer 11 noch immer mit zwei Instrumenten ausgestattet, und seine letzte erfolgreiche Kommunikationssitzung fand im November 1995 statt^[16]. Aber der Flug geht weiter. Für den Fall einer Begegnung mit einer außerirdischen Zivilisation tragen beide Pioneer-Sonden eine goldene Plakette, auf der das Raumschiff selbst, ein Mann und eine Frau sowie ein Wasserstoffatom der Planeten des Sonnensystems abgebildet sind, wobei die Position der Erde markiert ist^[17].

In der Tat bereiteten die Pioneer-Sonden einen sicheren Weg für die beiden anderen Weltraumforscher vor. 1977 startete die NASA im Rahmen ihres Voyager-Programms zur Erforschung der äußeren Planeten des Sonnensystems zwei Raumsonden mit dem gleichen Namen: „Voyager 1“ und „Voyager 2“. Ihr Ziel ist es, so viele Informationen wie möglich über die äußeren Gasriesen des Sonnensystems zu sammeln. Der Start wurde so geplant, dass die Orbitalpositionen von Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun berücksichtigt wurden, damit die Raumsonden die Schwerefelder der Planeten zum Manövrieren und zur Anpassung ihrer Geschwindigkeit nutzen konnten^[18].

Heute mag die technische Ausstattung dieser Raumsonden für Verwunderung sorgen, aber 1977 waren sie das Flaggschiff der Raumfahrtindustrie. Die wissenschaftliche Ausrüstung ist die gleiche wie bei ihren Vorgängern Pioneer 10 und Pioneer 11, und auch die Energiequelle ist ein radioisotopischer thermoelektrischer Generator. Da die Sonden die entferntesten Punkte des Sonnensystems erreichen müssen, wurde den Kommunikationssystemen, insbesondere den Antennen, große Aufmerksamkeit gewidmet. Das Computersystem besteht aus drei unabhängigen Rechnern, die jeweils eine eigene Funktion haben: Steuerung und Überwachung des Status des Raumfahrzeugs, Verarbeitung und Übertragung von Telemetriedaten sowie Steuerung des Lageregelungssystems und der Forschungsinstrumentenplattform^[19].

Weniger als zwei Jahre nach ihrem Start erreichte Voyager 1 den Jupiter und flog weiter zum Saturn, den sie im November 1980 erreichte. Die Sonde nutzte dann das Gravitationsmanöver, um die Geschwindigkeit zu erreichen, die sie brauchte, um ihre Flugbahn aus dem Sonnensystem heraus zu verfolgen^[20].

Die Ausstattung der Voyager^[21]

Die Reise von Voyager 2 war gemessener und länger: Sie passierte den Jupiter im Sommer 1979 und die Saturnringe im Sommer 1981, steuerte auf den Uranus zu, den sie im Januar 1986 erreichte, und näherte sich dann im August 1989 dem Neptun. Nach einer so langen Erkundungsreise begab sich die Sonde in den interstellaren Raum. „Voyager 2 ist die einzige von Menschenhand geschaffene Sonde, die die letzten beiden Planeten des Sonnensystems, Uranus und Neptun, erreicht hat^[22].

Voyager hat eine unglaubliche Leistung erbracht. Sie hat eine Fülle von Daten über die Atmosphären der vier Riesen des Sonnensystems gesammelt, wie die turbulente Atmosphäre des Saturn oder die sich verwandelnden Ringe des Jupiter, die zahlreichen Pole der beiden Planeten, die Tatsache, dass sie 2-2,5 Mal mehr Energie ausstrahlen als sie aufnehmen^[23], die Entdeckung von mehr als zwei Dutzend neuer Monde und Satelliten, die Bilder der zahlreichen Seen und Flüsse von Kohlenwasserstoffen auf ihren Oberflächen und die Entdeckung aktiver Vulkane auf dem Jupiter^[24].

Der 25. August 2012 ist ein wichtiger Moment für die Raumsonde Voyager 1, ebenso wie der 5. November 2018 für ihre Schwestersonde, die in den interstellaren Raum eintrat^[25]. Dieser „Austritt“ bedeutet, dass es der Sonde gelungen ist, die Heliopause zu überqueren, die Grenze der Heliosphäre, der Region, die vom Sonnenwind und den damit verbundenen Magnetfeldern beherrscht wird^[26].

Die interstellare Mission der Voyager hat kein festes Zeitlimit. Beide Sonden sind nach wie vor in Betrieb und senden Daten zur Erde, die von Wissenschaftlern weiter ausgewertet werden. Man geht davon aus, dass die Voyager-Sonden bis mindestens 2025 in Betrieb bleiben werden, da die Instrumente an Bord dann voraussichtlich nicht mehr ausreichen werden. Die Voyager-Sonden könnten jedoch noch mehrere Jahre lang weiterarbeiten und Daten übermitteln, bis die Energieressourcen der Sonden erschöpft sind^[27].

Derzeit, fast 46 Jahre nach ihrem Start, kommunizieren die Sonden Voyager 1 und 2, sind aktiv und 23,82 Milliarden bzw. 19,93 Milliarden km von der Erde entfernt, und das Erreichen des äußeren Sonnensystems bleibt bestenfalls für die nächsten paar hundert Jahre das Hauptziel ihrer Mission^[28]. Bislang hat noch kein von Menschenhand geschaffenes Objekt das Sonnensystem verlassen. Dies sind unsere neuen Säulen des Herkules: Wir können nur erahnen, was dahinter liegt, und wenn wir Glück haben, wird Voyager die erste Reise des Menschen über diese Grenze hinaus sein^[29].

Jenseits der neuen Säulen des Herkules

Diagramm des Sonnensystems mit der aktuellen Position von Voyager 2^[30]

Das Sonnensystem umfasst alle Körper, die der Schwerkraft der Sonne unterliegen, die sie umkreisen und von ihrer Schwerkraft angezogen werden^[31]. Die hypothetische Grenze des Sonnensystems ist die Oortsche Wolke, deren äußerster Teil sich vermutlich in einer Entfernung von 100.000 Astronomischen Einheiten (AE) von der Sonne befindet^[32] (1 AE entspricht der durchschnittlichen Entfernung zwischen der Erde und der Sonne, also fast 150 Millionen km)^[33].

Das System, in dem wir leben, ähnelt einer vielschichtigen Kugel. Jenseits der Umlaufbahn des letzten Planeten, Neptun, liegt der Kuipergürtel, eine scheibenförmige Region, die Millionen von Eiskörpern enthält, Überbleibsel der Entstehung des Sonnensystems^[34]. Dorthin, zu dem fernen Zwergplaneten und der unerforschten Region, schickte das Raumfahrtprogramm der NASA 2006 die Sonde New Horizons. Die Sonde hat die Aufgabe, die atmosphärischen und geologischen Eigenschaften des Pluto und seines Mondes Charon sowie anderer Objekte im Kuipergürtel zu untersuchen. Zur Unterstützung der Mission wurde die Sonde mit sieben wissenschaftlichen Instrumenten ausgestattet: drei optische Systeme, zwei Plasmaanalysesysteme, ein Staubanalysator und ein Radiospektrometer^[35].

Die Sonde beendete ihre Mission: Während sie den Jupiter überflog, konnte sie die globalen Klimaveränderungen des Planeten feststellen und entdeckte zum ersten Mal Blitze in den Polarregionen, untersuchte die Oberfläche und die Atmosphäre von Pluto und Charon im Detail^[36], sammelte Daten über viele andere Satelliten, machte unglaubliche Bilder von weit entfernten Objekten in unserem Sonnensystem und sammelte auch eine Reihe von Daten, deren Analyse die Wissenschaftler dazu veranlasste, frühere Modelle des Systems zu überdenken^[37]. Anschließend flog die Sonde zum Kuipergürtel-Objekt Arrokot, das sie im Januar 2019 erfolgreich erreichte, und entdeckte dabei ein bisher ungesehenes Weltraumobjekt^[38].

New Horizons befindet sich nun in einer Entfernung von über 7 Milliarden Kilometern von der Erde im „Winterschlafmodus“ und sollte am 1. März 2023 aktiviert werden. In Zukunft könnte New Horizons zur Erforschung anderer Objekte im Kuipergürtel eingesetzt werden^[39]. Die Sonden, die den Auftrag haben, die entferntesten Bereiche des Sonnensystems zu erforschen, haben Gemeinsamkeiten in der Technologie: Sie verwenden thermische Isotopengeneratoren (angetrieben durch Pu238), da die Verwendung von Sonnenkollektoren bei größeren Entfernungen von der Sonne nicht sinnvoll ist; sie sind mit hochempfindlichen wissenschaftlichen Instrumenten ausgestattet: (a) Plasmasensoren und -detektoren zur Messung der Dichte, Temperatur und Geschwindigkeit des Plasmas im Weltraum; (b) Magnetometer zur Messung der Intensität und Richtung des Magnetfelds; (c) Instrumente zur Messung der kosmischen Strahlung, einschließlich Detektoren für kosmische Strahlung, Gammastrahlendetektoren und Spektrometer; (d) Ionen- und Neutraldetektoren zur Untersuchung der Zusammensetzung der gasförmigen Umgebung; e) Kameras zur Aufnahme von Planeten, Monden und anderen Objekten in der Nähe des Raumfahrzeugs; f) Spektrometer zur Untersuchung der Oberflächenbeschaffenheit von Planeten und Monden; g) Instrumente zur Messung von Temperatur und Wärmestrahlung; h) Antennen und Funkwellenempfänger zur Kommunikation mit der Erde; i) Gasanalysatoren und Massenspektrometer zur Untersuchung der chemischen Zusammensetzung der Atmosphäre von Planeten und Monden; j) Instrumente zur Messung der Geschwindigkeit und Richtung des Raumfahrzeugs^[40].

Um die Kommunikation zu gewährleisten, ist die Ausrichtung der Sonde in Bezug auf die Erde sehr wichtig, und die Sonden sind mit autonomen Orientierungssystemen ausgestattet. Meistens werden optische Sensoren verwendet, die auf Licht (von der Sonne oder hellen Sternen wie Sirius) reagieren, so dass die Sonde ein Signal in Richtung Sonne und damit zur Erde senden kann^[41]. Natürlich übertrifft jede Raumsonde die vorherige in Bezug auf die technische Ausstattung und die Qualität der verwendeten Materialien, da der technologische Fortschritt nicht aufhört und mit jeder neuen Mission neue Instrumente hinzukommen.

Wanderungen im Weltraum

Ein hypothetisches Bild unseres Sonnensystems von außen gesehen^[42]

Die Erforschung des Weltraums geht weiter. Die Aufmerksamkeit der Wissenschaftler richtet sich auf die Untersuchung der Wechselwirkung zwischen dem Sonnensystem und dem interstellaren Medium. Zwei NASA-Missionen sind derzeit in diesem Bereich aktiv: der 2008 gestartete Interstellar Boundary Explorer (IBEX)^[43] und die Parker Solar Probe, die die Sonne und ihre Korona untersuchen und Daten über die Wechselwirkung der Sonne mit dem interstellaren Medium in der Nähe des äußeren Sonnensystems gewinnen soll^[44].

Die Kommunikation ist ein entscheidendes Bindeglied bei allen interplanetaren Missionen. Wenn der Kontakt mit dem Raumfahrzeug verloren geht, egal wie leistungsfähig es ist, ist es für die Erde nutzlos, ebenso wie die gesammelten Daten, die nicht übertragen werden können. Die Kommunikation mit Raumfahrzeugen erfolgt über Funk. Sie funktioniert, indem der Strom in der Sendeantenne in Schwingung versetzt wird, um elektromagnetische Wellen zu erzeugen, die sich fast mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten und die Empfängerantenne erreichen. Der Empfänger ist auf die Frequenz der gesendeten Funkwelle abgestimmt. Das Ergebnis ist ein elektrischer Wechselstrom in der Antenne, der dann verstärkt, analysiert und zur Informationsübertragung genutzt wird^[45]. Dieses Verfahren ermöglicht die Übertragung von Informationen über große Entfernungen im Weltraum^[46].

Zur Durchführung dieses Prozesses sind die Raumsonden mit speziellen Antennen und Sendern ausgestattet. Diese Antennen sind in der Regel in einer bestimmten Richtung angebracht, um die Signalqualität zu verbessern. Darüber hinaus sind die Sonden in der Regel mit mehreren Antennen ausgestattet, die an verschiedenen Seiten des Körpers angebracht sind, um die Kommunikation in jeder Position der Sonde relativ zur Erde zu gewährleisten. Ein weiterer sehr wichtiger Faktor für die Weltraum-Boden-Kommunikation auf Raumfahrzeugen ist die Systemredundanz, d. h. die Verwendung eines Kommunikationskanals mit geringer Geschwindigkeit (nicht auf die Erde ausgerichtete Antennen) und eines schnellen Informationsübertragungskanals mit enger Ausrichtung.

Bei Störungen, die zum Verlust der Orientierung führen, oder bei widersprüchlichen Anforderungen an die Position des Fahrzeugs (Sonnenkollektoren versus Licht, Triebwerk versus durchgeführtes Manöver, wissenschaftliche Ausrüstung versus zu untersuchendes Objekt) oder bei Verwendung des „Schlaf“-Modus wird der redundante langsame Kommunikationskanal in diesen Fällen zu einer Möglichkeit, „lebenswichtige“ Informationen zu übermitteln und, falls erforderlich, mit Hilfe von Befehlen von der Erde, das Fahrzeug wieder voll funktionsfähig zu machen^[47]. So öffnete sich beispielsweise die 4,8-Meter-Antenne der Galileo-Station (NASA-Roboter zur Erforschung des Jupiters und seiner Satelliten) während des Fluges nicht. Glücklicherweise war die Station über einen ungerichteten Kanal mit der Erde verbunden, und zwar mit nur 160 bps statt der 134 kbps, die während ihres achtjährigen Aufenthalts auf dem Jupiter erwartet werden, und das Problem konnte behoben werden^[48].

Das NASA DSN in Echtzeit^[49]

Je weiter sich interplanetare Stationen von der Erde entfernen, desto schwieriger wird es, ihre Signale zu empfangen. Leider können wir unser Sonnensystem noch nicht mit Satelliten in der Umlaufbahn bestücken, die überall als Repeater fungieren, also müssen wir riesige Satellitenschüsseln bauen^[50].

Das Deep Space Network (DSN) der NASA ist das größte und empfindlichste wissenschaftliche Telekommunikationssystem der Welt. Es besteht aus riesigen NASA-Funkantennen, die drei gleich weit voneinander entfernte Standorte – auf etwa 120 Grad Länge – rund um den Globus bilden. Die Standorte befinden sich in Goldstone, Kalifornien, in Madrid, Spanien, und in der Nähe von Canberra, Australien. Der Grund für diese Standorte ist die Notwendigkeit, eine ununterbrochene Kommunikation mit Raumfahrzeugen während der Rotation unseres Planeten zu gewährleisten. Wenn das Signal an einem Standort verloren geht, wird es von einer anderen Station aufgefangen und die Kommunikation fortgesetzt^[51].

Die Hauptparabolantenne des Madrider Weltraumkommunikationskomplexes, DSS-63, hat beispielsweise einen Spiegeldurchmesser von über 70 Metern und wiegt 3500 Tonnen. Um die Sonden zu verfolgen, dreht sich die Antenne auf vier Kugellagern, von denen jedes eine Tonne wiegt. Da es jedoch sehr schwierig ist, kleine Objekte im Weltraum zu finden, um die riesige Antenne genau auszurichten, greift man auf die „Radio-Triangulation“ zurück, bei der zwei Bodenstationen den genauen Winkel vergleichen, in dem ein Signal in unterschiedlichen Abständen auf den Spiegel der Antenne trifft. Auf diese Weise lassen sich die Entfernung zu einem Objekt und dessen Position berechnen^[52].

Das DSN ist nicht nur eine Reihe großer Antennen, sondern auch ein leistungsfähiges System zur Steuerung, Verfolgung und Überwachung des Zustands und der Sicherheit von Raumfahrzeugen an vielen weit entfernten Punkten im Sonnensystem. Die nicht so weit entfernte Kommunikation kann über Estrack (Verfolgungsstationen der Europäischen Weltraumorganisation) erfolgen, ein weltweites System von Bodenstationen, das Satelliten in der Umlaufbahn mit dem Europäischen Raumfahrtkontrollzentrum (ESOC) in Darmstadt, Deutschland, verbindet. Es besteht aus sieben Stationen in verschiedenen Ländern, darunter drei Deep Space-Antennen.

Die Geschwindigkeit, mit der Informationen übertragen werden, ist ein Schlüsselfaktor des Kommunikationssystems. Sie hängt nicht so sehr von der Signalstärke ab, sondern vom Verhältnis zwischen der Signalamplitude und dem Rauschen, das den Empfang stört. Das Rauschen ist auf die thermische Bewegung der Atome in den Empfangs- und Sendegeräten zurückzuführen, und der Weltraum ist alles andere als „still“: Die Mikrowellenstrahlung, die nach dem Urknall übrig geblieben ist, „singt“. Weltrauminformationen werden in digitaler Form übertragen, d. h. in einer Folge von Nullen und Einsen – den Bits – und je schlechter das Signal-Rausch-Verhältnis ist, desto länger dauert die Übertragung jedes Bits. Je weiter das Gerät entfernt ist und je schwächer sein Signal ist, desto langsamer ist der Informationsaustausch mit dem Gerät^[53].

Die Voyager-Sonden, die eine Parabolantenne mit einem Durchmesser von 3,65 m haben, beweisen dies: Während der Umrundung von Jupiter und Saturn, als die Satelliten nahe genug an der Erde waren, wurden Datenraten von 115.000 und 45.000 bps erreicht. Da die Signalstärke jedoch umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zwischen den Sendern ist, sendete Voyager 2 während der Uranus-Umrundung mit 9.000 bps. Beim Neptun sank diese Zahl auf 3000 bps^[54]. In einer Entfernung von über 23 Milliarden km sendet Voyager 1 mit 160 bps, was einer Übertragungszeit von 20 Stunden und 33 Minuten entspricht^[55], während ein Ping vom Mars, der sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegt, nur 20 Minuten braucht, um die Erde zu erreichen^[56].

Planetenerkundung

Der NASA-Rover Perseverance machte ein Selfie mit einem der 10 Probenröhrchen, die er in den Probentresor gelegt hat^[57]

All dies dient dazu, die Natur unseres Sonnensystems, seinen Ursprung und seine Entwicklung besser zu verstehen, die in ihm wirkenden Gesetze zu untersuchen und den potenziellen Nutzen für die Menschheit sowie die Möglichkeit von Lebensformen auf anderen Objekten im Weltraum zu ermitteln. Die Erforschung der Oberfläche von Objekten im Sonnensystem hat dagegen andere Ziele, und aus diesem Grund werden auch andere Raumfahrzeuge eingesetzt.

Die Erforschung unseres Mondnachbarn zielt darauf ab, die Struktur und Zusammensetzung seiner Oberfläche zu untersuchen und nach Ressourcen zu suchen, die für künftige Raumfahrtmissionen benötigt werden. Der chinesische unbemannte Mondrover Yutu 2 Chang’e-4 wurde im Dezember 2019 gestartet und landete sanft auf der Rückseite des Mondes. Der 140 kg schwere Mondrover wird mit Solarzellen betrieben und arbeitet wie sein Modul etwa zwei Erdenwochen lang, wenn die Sonne scheint, und schaltet sich dann ab, um die lange, kalte Mondnacht zu überstehen. Bislang hat sich die Sonde mehr als 1 km auf dem Mond bewegt^[58] und neben anderen Entdeckungen zwei halbtransparente Glaskugeln gefunden, die wahrscheinlich aus vulkanischem Gestein durch Meteoriteneinschläge entstanden sind^[59].

Im Jahr 2011 schickte das Mars Science Laboratory der NASA Curiosity, den größten und leistungsstärksten Rover, der jemals zum Roten Planeten“ geschickt wurde. Seine Aufgabe ist es, die Frage zu beantworten, ob die Umweltbedingungen auf dem Mars jemals für Mikroben geeignet waren^[60]. Er ist mit 10 wissenschaftlichen Instrumenten, 17 Kameras, einem Laser zum Verdampfen und Untersuchen von Gestein und einem Bohrer zum Sammeln von Gesteinsproben ausgestattet. Bereits im ersten Jahr nach der Landung auf dem Mars fanden die Wissenschaftler Hinweise auf ein uraltes Grundgestein, und die dem Planeten entnommenen Bodenproben enthielten etwa 2 % Wasser. Im Jahr 2022 wurden die Ergebnisse einer Untersuchung von Gesteinsproben aus der Region Glen Torridon im Gale-Krater veröffentlicht. Die Untersuchungen deuten darauf hin, dass es auf dem Mars einst Seen und heiße Quellen gab, was durch das Vorhandensein von Strukturen und Zwischenschichten mit hohem Fluoridgehalt bestätigt wird, ähnlich denen, die sich am Boden von Seen auf der Erde bilden. Darüber hinaus haben Wissenschaftler mit Hilfe von SAM (Sample Analysis at Mars) Sauerstoff, Kohlendioxid und Schwefel auf dem Mars nachgewiesen^[61].

Im Jahr 2020 wurde im Rahmen desselben Projekts der Rover Perseverance ausgesandt, um die Mission seines Vorgängers fortzusetzen. Der Rover ist mit einem Bohrer ausgestattet, um Gesteins- und Bodenproben vom Mars zu sammeln und sie in versiegelten Röhrchen zu lagern, damit sie bei einer künftigen Mission zur detaillierten Analyse zur Erde zurückgebracht werden können. Der Missionsplan umfasst auch die Identifizierung anderer Ressourcen (wie Grundwasser), die Charakterisierung von Wetter, Staub und anderen potenziellen Umweltbedingungen. Außerdem soll die Fähigkeit getestet werden, aus dem Kohlendioxid der Marsatmosphäre Sauerstoff zu gewinnen^[62].

Das zweistufige ExoMars-Programm der Europäischen Weltraumorganisation verspricht Antworten auf die Frage, ob es jemals Leben auf dem Mars gab. Der Trace Gas Orbiter wurde 2016 gestartet und der zweite Teil des Programms, der einen Rover und eine Plattform auf der Erde umfasst, wartet auf die Startbestätigung^[63].

Ein Bild des Bodens des Asteroiden Bennu, der für Bergbauzwecke untersucht wird^[64]

Auch Asteroiden sind von großem Interesse. Die japanische Luft- und Raumfahrtbehörde JAXA startete 2014 eine Mission, Hayabusa2, zum Asteroiden Ryugu. Die Sonde sammelte Bodenproben und landete mehrere autonome Roboter auf dem Asteroiden, um das darunter liegende Gestein zu untersuchen, wobei ein Kupferpoller einen Krater erzeugte. Die Kapsel mit den gesammelten Proben landete im Jahr 2020 erfolgreich auf der Erde. Die Mission der Raumsonde selbst wurde verlängert und wird in Zukunft weitere Asteroiden untersuchen^[65]. Eine weitere Probe von asteroidem Material wird bereits in diesem Jahr auf der Erde eintreffen. Sie wird von der Mission OSIRIS-REx geliefert, die von 2018 bis 2021 den Asteroiden Bennu untersucht hat^[66].

Trotz seiner geringen Größe (500 m im Durchmesser) erwies sich Bennu als ein sehr interessanter Himmelskörper. Es stellte sich heraus, dass es sich um ein eher lockeres Objekt handelt, das mit vielen großen Gesteinstrümmern übersät ist und gelegentlich Klumpen ins All schleudert. Während der Probenentnahme bestand die Gefahr, dass OSIRIS-REx hineinfallen würde, wie in ein Becken voller Steinkugeln. Nachdem die Kapsel mit den Materieproben von Bennu abgeworfen wurde, machte sich OSIRIS-REx auf den Weg zu einem Rendezvous mit Apophis, dem einst gefährlichsten Asteroiden im Sonnensystem. Das Rendezvous wird im Jahr 2029 stattfinden^[67].

Die DART-Mission hat die Messlatte höher gelegt und die Umlaufbahn des Asteroiden verändert. Sie war die praktische Umsetzung des Plans, die Erde durch kinetische Maßnahmen vor einem bedrohlichen Himmelskörper zu schützen. Das Ziel von DART war der 160 Meter große Asteroid Dimorph, der ein Satellit des größeren Objekts Didim ist. Die Kollision von DART mit dem Asteroiden fand am 26. September 2022 statt. DART traf Dimorph mit einer Geschwindigkeit von 6,6 km/s. Das Ergebnis, so die Wissenschaftler, übertraf ihre Erwartungen um ein Vielfaches: Die Änderung der Umlaufzeit von Dimorph wurde um 32 Minuten verringert, obwohl eine Verringerung um nur 73 Sekunden als Erfolg zu werten wäre^[68].

All dies klingt einfach, ist aber in Wirklichkeit voller Risiken. Nicht alle Weltraumstarts sind erfolgreich, aber selbst wenn ein Start gut verläuft, kann es im Weltraum zu vielen unerwarteten Situationen kommen. Weltraummüll stellt ein sehr hohes Kollisionsrisiko dar, unabhängig davon, auf was das Objekt trifft: Ein Meteorit oder ein verlassener Satellit ist genauso gefährlich wie ein Farbklecks^[69]. Unabhängig von der Größe werden große Trümmerobjekte katalogisiert, kleine Partikel (1 bis 10 cm) hingegen nicht, können aber dennoch eine tödliche Rolle spielen^[70].

Fehlfunktionen, Ausrüstungs- oder Softwaremängel sowie Kommunikationsprobleme können die Mission gefährden. Darüber hinaus ist die Umgebung, in der Raumfahrzeuge arbeiten, instabil, und unter dem Einfluss der Weltraumumgebung kann das Raumfahrzeug Strahlung, Sonnenwind und Staub, magnetischen Effekten und anderen Faktoren ausgesetzt sein, die das Fahrzeug beschädigen oder die Qualität der gewonnenen Daten beeinträchtigen können^[71].

Die Landung auf einem Weltraumkörper kann gefährlich sein, da die Oberfläche uneben sein oder gefährliche Objekte enthalten kann, wie z. B. scharfe Felsen oder Riffe. Oder Vertiefungen, wie im Fall von Philae (von der Europäischen Weltraumorganisation), dessen Aufgabe es war, den Kern des Kometen Tschurjumow-Gerasimenko zu untersuchen. Aufgrund der geringen Schwerkraft des Kometen musste das Fahrzeug mit seinem Annäherungsmotor und seiner Harpune andocken, doch die Instrumente versagten und Philae prallte zweimal vom Kometen ab. Erst beim dritten Mal hielt es an, landete aber in einer Senke, in der ihm schnell die Energie ausging, da es mit Solarzellen betrieben wird, und „einschlief“. Die Versuche, ihn zu wecken, waren vergeblich^[72]: Ein Zusammenspiel verschiedener Faktoren führte zum Scheitern der Mission. Doch jeder Fehltritt ist ein großer Fortschritt, und dank moderner Technologie und wissenschaftlicher Fortschritte sind die meisten Risiken bei der Erforschung des Weltraums minimiert und kontrolliert worden.

Gibt es noch jemanden außer uns?

Eine Studie des Astrophysikers Adam Frank über den möglichen ökologischen Zusammenbruch einer außerirdischen Zivilisation^[73]

Sind wir allein im Universum? Ich denke, diese Frage stellt sich jeder, der über den Kosmos nachdenkt. Es gibt viele Organisationen, die sich der Beantwortung dieser Frage verschrieben haben. Das SETI-Institut (Search for Extraterrestrial Intelligence Institute, Kalifornien, USA) ist eine gemeinnützige Forschungsorganisation, die 1984 gegründet wurde, um nach intelligentem Leben im Universum zu suchen. Das Institut sucht nach Funksignalen, die auf die Anwesenheit außerirdischer Zivilisationen hinweisen könnten, untersucht die Möglichkeit von Leben auf anderen Planeten, analysiert Daten über in Frage kommende Planeten und führt verschiedene Experimente durch, um intelligentes Leben zu finden und zu untersuchen. Ihre Aktivitäten werden aus öffentlichen und privaten Quellen finanziert.

Mit dem Allen Telescope Array, das aus 42 Antennen mit einem Durchmesser von 6,1 Metern besteht, empfängt das SETI-Institut Radiosignale aus dem All und sucht nach intelligentem Leben. Auf der Grundlage des ATA-Datenzentrums hat es große Mengen von Daten aus den Radioteleskopen verarbeitet und analysiert. Es nutzt auch bodengestützte Teleskope in verschiedenen Teilen der Welt, wie das Green Bank Telescope in West Virginia oder das Parkes Telescope in Australien^[74].

Oder Breakthrough Listen, ein privates Wissenschaftsprojekt, das 2015 gegründet wurde, um nach außerirdischen Zivilisationen im Universum zu suchen. Das Projekt nutzt leistungsstarke Radioteleskope auf der ganzen Welt, um elektromagnetische Signale aus dem Weltraum aufzuspüren, die mit Leben jenseits der Erde in Verbindung gebracht werden könnten. Es verwendet hochpräzise Empfänger und Datenverarbeitungsalgorithmen, die ungewöhnliche Signale nur von nicht natürlichen Quellen erkennen können^[75].

Diese Organisationen führen verschiedene wissenschaftliche Projekte und Missionen durch und arbeiten untereinander und mit anderen Forschungsgruppen und Organisationen, wie der NASA, zusammen, um Daten auszutauschen und zusammenzuarbeiten. Die Suche nach intelligentem Leben soll durch das Square Kilometer Array (SKA), ein internationales Projekt zum Aufbau einer wissenschaftlichen Infrastruktur für die radioastronomische Forschung, einen wichtigen instrumentellen Impuls erhalten. Das SKA wird aus Tausenden von Antennen bestehen, die sich in Clustern in verschiedenen Ländern befinden und einen Durchmesser von mehr als einem Kilometer und eine lichtempfindliche Fläche von mehreren Millionen Quadratmetern haben.

Es wird erwartet, dass das SKA viel empfindlicher sein wird als bestehende Radioteleskope und für eine Reihe wissenschaftlicher Untersuchungen eingesetzt werden wird, darunter die Erforschung der Geheimnisse der Materie und der dunklen Energie sowie der Entwicklung von Galaxien und des Ursprungs des Lebens im Universum. Das SKA befindet sich in der Planungs- und Bauphase und soll bis 2030 fertiggestellt werden^[76]. Aber die Hoffnung und die Angst, auf außerirdische Zivilisationen zu stoßen, erregt jeden, ob Wissenschaftler oder nicht.

Neugierde oder Profit?

Das Altair-Modul der NASA mit Frachtkapseln, die 15 Tonnen Ausrüstung auf die Mondoberfläche transportieren können^[77]

Es geht nicht nur um Träume und Wissensdurst. Die Erforschung anderer Planeten und des interstellaren Raums hilft den Wissenschaftlern, die Vorgänge im Universum besser zu verstehen, z. B. die Entstehung und den Lebenszyklus von Sternen, Planeten und anderen Körpern, den Ursprung des Lebens, was wiederum unser Wissen über unseren eigenen Planeten, seine Ursprünge und seine Geschichte vertieft. Aber heute versucht die Menschheit, die Ressourcen des Weltraums zu nutzen, die sehr attraktiv erscheinen. Wie realistisch sind die Möglichkeiten der Raumfahrtindustrie, sie zu erschließen?

Die Daten über die mineralische Zusammensetzung von kleinen Körpern wie Asteroiden sind derzeit noch sehr spärlich, um sagen zu können, dass sie ein relevantes Potenzial haben. Außerdem müsste für eine echte Asteroiden- und Kometenforschungsmission ein Andocksystem für einen massearmen Himmelskörper geschaffen werden, das für einen monolithischen Asteroiden, einen brüchigen Kometenkern oder einen hypothetischen Gesteinshaufen gleichermaßen effektiv wäre^[78].

Eine weitere wertvolle Ressource ist der Mond. Der Bau einer Raumfahrtbasis auf dem Mond könnte künftige Weltraummissionen erleichtern, da er als Zwischenstation für Flüge zu anderen Planeten und Asteroiden genutzt werden könnte. Unser Satellit könnte auch ein Ort für wissenschaftliche Forschungen werden, etwa in den Bereichen Astronomie und Physik. Dank der fehlenden Atmosphäre können die Wissenschaftler Objekte im Weltraum ohne Verzerrungen oder Störungen untersuchen. Eines der bekanntesten Projekte ist Artemis, das von der US-Raumfahrtbehörde NASA entwickelt wurde. Ziel ist es, bis zum Jahr 2024 eine ständige Basis auf dem Mond zu errichten und langfristig eine dauerhafte menschliche Präsenz auf dem Mond zu gewährleisten^[79].

Doch Projekte dieser Art erfordern enorme Ressourcen von der Erde. Nur mit riesigen Energiereserven in Form eines konstanten Stroms von Sonnenenergie wäre es wirtschaftlich machbar, Metalle aus dem Mondboden, der halb aus Silizium und halb aus Metalloxiden besteht, zu gewinnen und Sauerstoff als Nebenprodukt zu produzieren. Metalle (als Baumaterialien) und Sauerstoff (als Oxidationsmittel für Raketentreibstoff und als Gas, das die Astronauten zum Atmen benötigen) können auf dem Mond kostengünstig gewonnen werden, was bedeutet, dass die In-situ-Gewinnung von Mineralien für die Mondindustrie effizienter wäre als deren Transport von der Erde. Der Nutzen der Versorgung der irdischen Industrie mit Rohstoffen aus dem Weltraum ist jedoch fraglich^[80].

Bislang hat noch niemand mit der industriellen Erforschung des Weltraums begonnen, doch könnte dies in Zukunft zu ernsthaften Kontroversen führen, da es keinen rechtlichen Rahmen gibt, der die Erforschung des Weltraums und die Haftung bei Verstößen regelt, was eine sehr lockere Auslegung des Grundsatzes ermöglicht, wonach der Weltraum „der gesamten Menschheit vorbehalten“ ist. Die ersten Alarmzeichen waren das US-Gesetz HR 2262 aus dem Jahr 2015^[81], das US-Bürgern Eigentumsrechte an Ressourcen einräumt, die außerhalb der Grenzen des Planeten Erde abgebaut werden, und ein ähnliches Gesetz, das die luxemburgische Regierung 2017 verabschiedet hat^[82]. Bislang handelt es sich jedoch nur um Hypothesen. Unsere Fortschritte sind sicherlich beeindruckend, aber auf der Kardashev-Skala, die die technologische Entwicklung von Zivilisationen einstuft, haben wir noch nicht einmal Stufe eins erreicht^[83], und wir gleichen einem kleinen Kind mit vielen unbeantworteten Fragen vor einem unendlichen Universum.

Gewiss. Aber wir wachsen.

^[1] https://www.nasa.gov/mission_pages/hubble/main/index.html

^[2] https://www.jwst.nasa.gov/

^[3] https://tonkosti.ru/%D0%98%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%8F_%D0%BE%D1%81%D0%B2%D0%BE%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F_%D0%BA%D0%BE%D1%81%D0%BC%D0%BE%D1%81%D0%B0

^[4] https://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/chronology.html#2020

^[5] https://epizodsspace.airbase.ru/bibl/spaceage/11.htm#8

^[6] https://www.scienceabc.com/innovation/gravitational-slingshot-how-did-gravity-assist-voyager-1-2-in-escaping-the-solar-system.html

^[7] https://bgr.com/science/something-terrifying-is-happening-at-the-border-of-our-solar-system/

^[8] https://www.nasa.gov/centers/ames/missions/archive/pioneer.html

^[9] https://www.nasa.gov/feature/50-years-ago-pioneer-10-launches-to-explore-jupiter

^[10] https://www.nasa.gov/feature/50-years-ago-pioneer-10-launches-to-explore-jupiter

^[11] https://dzen.ru/media/deep_cosmos/chto-stalo-s-zondami-pioner10-i-pioner11-607ae95c19675453a5cdd368?utm_referer=www.google.com