Sternengeschichten   /     Sternengeschichten Folge 526: Das Deep Space Network

Description

Wenn wir mit unseren Raumfahrzeugen im All reden wollen, brauchen wir ein Kommunikationsnetzwerk. Das Deep Space Network ist genau so etwas und viel spannender als man erwarten w├╝rde. Mehr erfahrt in der neuen Folge der Sternengeschichten. Wer den Podcast finanziell unterst├╝tzen m├Âchte, kann das hier tun: Mit PayPal (https://www.paypal.me/florianfreistetter), Patreon (https://www.patreon.com/sternengeschichten) oder Steady (https://steadyhq.com/sternengeschichten)

Subtitle
Wir lauschem dem Fl├╝stern im All
Duration
745
Publishing date
2022-12-23 06:00
Link
https://sternengeschichten.podigee.io/526-sternengeschichten-folge-526-das-deep-space-network
Contributors
  Florian Freistetter
author  
Enclosures
https://audio.podigee-cdn.net/968424-m-e5a435e07c6ff1af60b1288981991c7b.mp3?source=feed-scienceblogs
audio/mpeg

Shownotes

Wir lauschem dem Fl├╝stern im All

Sternengeschichten Folge 526: Das Deep Space Network

Weltraumteleskope die fantastische Bilder des Kosmos machen. Raumsonden, die zu fernen Himmelsk├Ârpern fliegen. Rover, die die Oberfl├Ąche des Mars erforschen; Menschen, die auf dem Mond spazieren gehen. Die Raumfahrt ist ein gro├čes wissenschaftliches Abenteuer. Aber Abenteuer funktionieren nur in B├╝chern und Filmen ohne Vorbereitungen. In der Realit├Ąt muss man sich auch bei so spektakul├Ąren Vorhaben wie der Raumfahrt um jede Menge recht unspektakul├Ąre Dinge k├╝mmern, wenn das Abenteuer nicht im Chaos enden soll.

Und in der Raumfahrt ist vor allem eine Sache von enormer Bedeutung: Kommunikation. Nehmen wir mal ein Weltraumteleskop; sowas wie Hubble oder James-Webb. Diese Ger├Ąte machen fantastische Aufnahmen und liefern extrem wertvolle wissenschaftliche Daten. Aber irgendwie m├╝ssen diese Daten ja zu uns auf die Erde gelangen. Irgendwie m├╝ssen wir hier auf der Erde den Teleskopen sagen, was sie wann und wo und wie beobachten sollen. Vor dem Beginn der Raumfahrt gab es Teleskope nur auf der Erde und Menschen, die diese Teleskope bedient haben. Die Daten waren Fotoplatten, die direkt aus den Kameras an den Teleskopen geholt wurden. Aber es sitzt ja niemand im Hubble-Weltraumteleskop und dr├╝ckt dort irgendwelche Kn├Âpfe. Die Daten├╝bertragung muss hier also anders funktionieren.

├ťbrigens: Die allerersten Bilder aus dem Weltall wurden tats├Ąchlich noch ganz klassisch mit analogen Fotoapparaten gemacht. Man scho├č Raketen hinaus ins All, machte Fotos und dann st├╝rzten die Satelliten wieder auf die Erde. Und wenn die Landung nicht zu heftig war, konnte man die Filme bergen und entwicklen. Aber das ist nat├╝rlich keine Methode f├╝r ernsthafte wissenschaftliche Forschung. Hier muss man die Daten digital ├╝bertragen, die Bilder also in elektronische Daten umwandeln, sie per Funk zur Erde schicken und dort wieder in normale Bilder ├╝bersetzen.

F├╝r uns heute ist das v├Âllig normal; wir schicken st├Ąndig Daten ├╝bers Internet durch die Gegend und um die ganze Welt. Aber wie schaut es mit dem Internet au├čerhalb der Erde aus? Wenn man sich nicht zu weit von unserem Planeten entfernt, dann kommt man noch halbwegs gut klar. Aber auch hier muss man sich ein paar Gedanken machen. Will man zum Beispiel mit der International Raumstation Kontakt aufnehmen, dann muss man ber├╝cksichtigen, dass sich die Raumstation zwar nur in 400 Kilometer H├Âhe befindet, aber sehr schnell um die Erde herum bewegt. Sie umkreist den Planeten einmal in 90 Minuten. Es bringt also gar nichts, wenn ich einfach nur an einem Ort eine Antenne aufstelle. Dann kann man zwar mit der Raumstation reden. Aber nur kurz und nur einmal alle 90 Minuten. Will man dauerhaften Kontakt sicherstellen - und das will man auf jeden Fall! - dann muss man entsprechende Bodenstationen um die ganze Erde herum verteilen, so dass immer eine davon gerade so positioniert ist um die Signale von der Raumstation zu empfangen.

Und wenn man es mit weiter entfernten Raumfahrzeugen zu tun hat, muss man ein wenig mehr Aufwand treiben. Womit wir jetzt beim Deep Space Network der NASA angelangt sind. "Deep Space" klingt nach sehr weit entfernt; nach Science Fiction; nach Kommunikation ├╝ber Lichtjahre hinweg. Tats├Ąchlich meint "Deep Space" im Zusammenhang mit der Kommunikation im All alles, was weiter als 2 Millionen Kilometer von der Erde entfernt ist. Das ist enorm weit; das ist deutlich weiter weg als der Mond, der ja nur gut 400.000 Kilometer weit weg ist. Aber es geht trotzdem vor allem um Kommunikation innerhalb des Sonnensystems. Wie so oft ist diese Definition ├╝brigens nicht allgemeing├╝ltig: F├╝r die NASA ist zum Beispiel schon alles ab 16.000 Kilometer Entfernung der "Deep Space".

Aber lassen wir mal die Definitionen beiseite. Es geht auf jeden Fall um die Kommunikation mit Raumsonden, die den Mars erforschen, oder die Venus. Die zu Jupiter und Saturn fliegen, oder noch weiter hinaus, wie es die Voyager 1 und 2 Sonden getan haben. All diese Sonden, Rover und Satelliten sind ja tats├Ąchlich dort drau├čen und erledigen ihre Arbeit. Genau so wie das James-Webb-Teleskop, an seinem Beobachtungspunkt in 1,5 Millionen Kilometer Entfernung. Und damit diese ganzen Instrumente tun k├Ânnen, was sie tun, m├╝ssen wir Kontakt mit ihnen haben. Genau das ist die Aufgabe des "Deep Space Network".

Man darf sich so eine Kommunikationsanlage nicht als simple Antenne vorstellen, wie wir sie vielleicht zuhause auf dem Dach haben, um Satellitenfernsehen zu empfangen. Theoretisch k├Ânnte man mit sowas nat├╝rlich auch Kontakt zu Raumfahrzeugen herstellen. Aber je weiter sie entfernt sind, desto schw├Ącher wird das Signal. Je schneller die Kommunikation erfolgen soll, desto st├Ąrker muss das Signal sein und desto besser muss es auch empfangen werden k├Ânnen. Was an den Stationen des Deep Space Networks steht, sind also keine simplen Satellitensch├╝ssel, sondern riesige Radioantennen. Ich komme gleich noch zu den Details; schauen wir zuerst noch einmal kurz, wo man solche Dinger am besten hinstellt. Idealerweise und im Gegensatz zu astronomischen Teleskopen stellt man so eine Antenne nicht hoch oben auf einen Berg, sondern in eine Talmulde oder ├Ąhnliches, damit m├Âglichst wenig st├Ârende Signale von irdischen Radioquellen empfangen werden. Deswegen stellt man so ein Ding auch nicht mitten in eine Stadt oder unter stark genutze Flugrouten, wo einem dauernd Flugzeuge dazwischen funken. Das Wetter sollte auch halbwegs brauchbar sein; man kann zwar auch bei Regen Signale empfangen, aber wenns st├Ąndig extrem st├╝rmt, oder sich Eis an den Antennen anlagert, dann ist das auch nicht unbedingt optimal. Es gibt noch mehr Standortfaktoren - aber das waren die wichtigsten.

Will man dauerhaft Kontakt mit einem fernen Raumfahrzeug haben, dann braucht man mindestens drei Stationen auf der Erde. Die m├╝ssen halbwegs gleichm├Ą├čig ├╝ber die Erde verteilt sein; also drei nebeneinander im gleichen Land bringt auch nichts. Mindestens eine Station muss immer Kontakt zu Raumfahrzeug haben k├Ânnen, aber praktischerweise macht man das dann so, dass sich die Stationen ├╝berschneiden. Wenn also an einer Station das Raumfahrzeug wegen der Erdrehung immer weiter Richtung Horizont sinkt sollte eine andere Station das Raumfahrzeug gerade ├╝ber dem Horizont "aufgehen" sehen, sodass theoretisch beide Kontakt aufnehmen k├Ânnen. Und erst dann wird die Kommunikation von einer Station zur n├Ąchsten ├╝bergeben.

Das Deep Space Network der NASA besteht aus drei Standorten. Dem Goldstone Deep Space Communications Complex in der Mojave-W├╝ste in Kalifornien, dem Madrid Deep Space Communications Complex, circa 55 Kilometer au├čerhalb von Madrid in Spanien und dem Canberra Deep Space Communication Complex am Rand eines Naturschutzgebietes in der Umgebung der australischen Hauptstadt Canberra. Fr├╝her hat die NASA auch noch Stationen in West Virginia oder S├╝dafrika genutzt; die werden aber mittlerweile f├╝r andere Zwecke verwendet. In den 1960er Jahren war der Goldstone-Komplex mit drei 26m-Antennen und einer 64m-Antenne ausgestattet; in Madrid und Australien konnte man je eine 26m-Antenne nutzen. Das war f├╝r die Mondmissionen und den Rest der damaligen Arbeit der NASA ausreichend, aber als man weitere Missionen startete, die weiter hinaus ins All flogen, brauchte man bessere Kommunikation. In den 1970er-Jahren bekamen sowohl Madrid als auch Canberra eine weitere 26m-Antenne dazu und au├čerdem je eine gro├če 64m-Antenne. Als dann Ende der 1970er Jahre die Voyager-Sonden ins All flogen und erstmals Daten von den ├Ąu├čeren Planeten des Sonnensystems schicken sollten, war ein weiteres Update n├Âtig. Neue 34m-Antennen wurden gebaut; einige 26m-Antennen wurden auf 34m erweitert.

Im neuen Jahrtausend wurden die Anlagen dann noch mal erweitert; die Technik macht ja auch immer Fortschritte und irgendwann braucht man nicht nur gr├Â├čere Antennen, sondern auch neuere. In Goldstone waren seit den sp├Ąten 1990er Jahren vier 34m-Antennen aktiv und eine 70m-Antenne; in Madrid und Canberra ebenfalls; dort steht auch das 64m gro├če Parkes-Radioteleskop, das aber nur bei Bedarf dem Netzwerk hinzugeschaltet wird. Das klappt auch mit anderen Stationen; die NASA ist ja nicht die einzige Organisation, die Raumfahrt betreibt. Die Europ├Ąische Weltraumagentur ESA hat nat├╝rlich auch ein eigenes Netzwerk f├╝r die Kommunikation mit fernen Raumsonden, die "ESA tracking stations" oder ESTRACK. Die stehen in Argentinien, Franz├Âsisch-Guayana, den Azoren, Spanien, Belgien, Schweden und Australien und ein Teil davon kann ebenfalls mit dem Deep Space Network der NASA zusammengeschaltet werden. Die chinesische Raumfahrtagentur hat jede Menge Antennen in China stehen, was aber nicht zur dauerhaften Kommunikation ausreicht. Deswegen betreibt man dort auch Schiffe, die passend auf dem Meer platziert werden k├Ânnen und spezielle Satelliten im All, die Signale weiterleiten k├Ânnen, auch wenn das Raumfahrzeug gerade nicht von China aus erreicht werden kann. 2010 hat China aber auch eine Anlage in Argentinien erreicht und in Namibia betreibt man ebenfalls eine Trackinstation. Aber auch China kooperiert immer wieder mit der ESA und greift auf die Stationen von ESTRACK zur├╝ck, genau so wie andere Raumfahrtnationen wie Indien oder Japan.

Eine 30 Meter gro├če Antenne betreibt ├╝brigens auch das Deutsche Zentrum f├╝r Luft- und Raumfahrt in der N├Ąhe von Weilheim in Oberbayern. Von dort werden die Satelliten der Bundeswehr gesteuert; die Antenne kann aber auch in das ESTRACK-Netzwerk der ESA integriert werden.

All diese riesigen Antennen klingen nach ziemlich viel Aufwand f├╝r ein bisschen Kommunikation. Aber Kommunikation ist eben quasi fast alles in der Raumfahrt. Wir M├ťSSEN mit den Raumfahrzeugen reden k├Ânnen; ansonsten br├Ąuchten wir uns gar nicht erst die M├╝he machen, sie ins All zu schicken. Und wenn man sich ├╝berlegt, wie schwach die Signale oft sind um die es hier geht, erscheinen die Antennen auf einmal gar nicht mehr so gro├č. Nehmen wir die Voyager-Sonden. Die haben Sender mit einer Leistung von 23 Watt und eine Antenne mit 3,7 Meter Durchmesser. 23 Watt ist nicht so wahnsinnig viel; ok, mehr als Handy an Sendeleistung hat; das liegt bei irgendwas zwischen einem halben und 3 Watt. Aber diese 23 Watt senden die Voyager-Sonden eben mittlerweile aus einer Entfernung von mehr als 22 Milliarden Kilometern. Ein Signal der Sonden ist gut 20 Stunden unterwegs, bis es ├╝berhaupt auf der Erde eintrifft. Und dort nat├╝rlich sehr viel schw├Ącher als die urspr├╝nglichen 23 Watt. Wenn man nicht ganz genau w├╝sste, wann und aus welcher Richtung und auf welcher Frequenz das Signal kommt, h├Ątte man keine Chance es zu empfangen. Das Signal, dass auf der Erde empfangen werden muss, ist nur noch 10 hoch -18 Watt stark; also ein Trillionstel Watt. Es ist schwer, irgendeinen vern├╝nftigen Vergleich f├╝r so eine winzige Leistung zu finden. Selbst der Energieumsatz in einer einzigen menschlichen Zelle ist gr├Â├čer als ein Trillionstel Watt.

Wenn wir mit unseren Raumsonden im All kommunizieren wollen, dann hat das nichts mit der Kommunikation hier unten auf der Erde zu tun. Wir m├╝ssen mit unseren gigantischen Antennen auf ein fast unh├Ârbar leises Fl├╝stern im Weltraum h├Âren.