Navigation per Neutronenstern Das GPS des Weltraums

Wie bestimmt ein Raumschiff seine Position? Die Ortung mit GPS-Signalen klappt nur in der Erdumlaufbahn. Für Flüge zum Mars oder außerhalb des Sonnensystems schlagen Forscher vor, sich an rotierenden Sternen zu orientieren.

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Berlin - Bei Flügen zum Mond vor mehr als 40 Jahren mussten die US-Astronauten wie Seefahrer navigieren: Sie orientierten sich an den Sternen. An Bord der "Apollo"-Raumschiffe befanden sich Sextanten, und damit konnten die Astronauten die eigene Position relativ genau bestimmen.

Australische Wissenschaftler haben nun eine Alternative zur Sternennavigation vorgestellt: Man könne sich auch an bekannten Pulsaren orientieren, berichten George Hobbs und seine Kollegen von der Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO). Pulsare sind rotierende Neutronensterne, die regelmäßige Signale aussenden.

Kleine Teleskope könnten die periodischen Signale erfassen, schreiben die Autoren in einem vorab veröffentlichten Artikel, der im Fachblatt "Advances in Space Research" erscheinen soll. Damit sei auch eine genauere Ortung möglich als mit Sextanten - hilfreich etwa bei Missionen zum Mars oder bei Flügen aus dem Sonnensystem heraus.

Das Verfahren entspricht im Grunde der klassischen Kreuzpeilung, mit der Seefahrer ihre Position bestimmen. Sie peilen dabei zwei bekannte Landmarken an und tragen diese Peilungen als Geraden in die Seekarte ein. Ihr Boot befindet sich dann am Schnittpunkt der beiden Linien. "Wenn man drei Pulsare anvisiert, die im Winkel von 90 Grad zueinander stehen, kann man berechnen, wo man sich im dreidimensionalen Raum befindet", erklärt Hobbs.

ATV-4 nutzt mehrere Systeme parallel

Als Landmarken im Weltall eignen sich nach Aussagen der Forscher vor allem sogenannte Millisekundenpulsare, die periodisch Gammastrahlung aussenden. Denn nur Gammastrahlen-Teleskope sind klein genug, um Platz an Bord eines Raumschiffs oder einer Sonde zu finden. Nach Berechnungen der Forscher erlaubt die Methode eine Ortung auf 20 Kilometer genau. Die Sternennavigation erreiche hingegen nur eine Genauigkeit von 250 Kilometern, sagte Hobbs.

Auch die Geschwindigkeit eines Raumschiffs lässt sich mit Pulsaren messen. Dazu genügen zwei Ortungen in einem gewissen zeitlichen Abstand. Mit der bekannten Formel Geschwindigkeit gleich Weg durch Zeit lässt sich dann berechnen, wie schnell eine Sonde unterwegs ist.

Wenn Wissenschaftler die Position eines Raumschiffs im All bestimmen, nutzen sie derzeit ganz unterschiedliche Verfahren. "Wir verwenden mehrere Systeme", sagt Volker Schmid, beim DLR zuständig für den unbemannten Transporter ATV-4. "Die mehrfache Redundanz ist wichtig, damit es keine Probleme gibt, sollte ein System mal ausfallen."

Im Erdorbit greifen Forscher häufig auf GPS-Signale zurück - sie sind dort oft das wichtigste System zur Navigation. Raumschiffe können aber auch navigieren, indem sie von Teleskopen auf der Erde angepeilt werden: Ihre Position wird ihnen dann von den Teleskopstationen zugefunkt. Dieses Verfahren wird allerdings immer ungenauer, je weiter eine Sonde von der Erde entfernt ist. "Voyager 1" beispielsweise ließe sich so nicht präzise orten, die Sonde befindet sich längst am Rand des Sonnensystems - rund 18,5 Milliarden Kilometer von der Sonne entfernt.

Der Raumtransporter ATV-4 nutzt neben GPS-Signalen bei der Annäherung an die Raumstation ISS ein Radarsystem und einen sogenannten Laser Rangefinder, der Reflektoren an der ISS anstrahlt. Aus Rückstrahlung wird dann die relative Lage im Raum berechnet.

Zusätzlich an Bord befinden sich ein Sternentracker - die moderne Version eines Sextanten. Optische Sensoren suchen im All nach besonders hellen Sternen oder auffälligen Sternkonstellationen. Wenn mehrere verschiedene Objekte angepeilt sind, lässt sich daraus die Position im All berechnen.

In vielen Raumschiffen Standard sind zudem Gyrometer für die Trägheitsnavigation. Diese registrieren jede Beschleunigung des Raumschiffs. Wenn man die anfängliche Geschwindigkeit und Position kennt, lässt sich so berechnen, wo sich ein Raumschiff Stunden oder Tage danach befindet. Das Verfahren ist jedoch relativ ungenau.



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