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Wie spät ist es auf dem Mond?

Das kommende Jahrzehnt wird ein Wiederaufleben der Monderkundung erleben, einschließlich Dutzender von Missionen und Plänen zur Errichtung dauerhafter Stützpunkte auf dem Mond. Die Bemühungen bringen zahlreiche Herausforderungen mit sich. Darunter ist eine subtile, aber grundlegende Frage, die Metrologen auf der ganzen Welt zu beantworten versuchen: Wie spät ist es auf dem Mond?

„Wir fangen gerade erst an, dies zu erklären“, sagte Cheryl Gramling, eine Luft- und Raumfahrtingenieurin, die das Team für Position, Navigation und Zeitmessung am Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, leitet.

Der Mond hat derzeit keine unabhängige Zeit. Jede Mondmission verwendet ihre eigene Zeitskala, die durch ihre Betreuer auf der Erde an die koordinierte Weltzeit oder UTc gebunden ist – der Standard, auf den die Uhren des Planeten eingestellt sind. Aber diese Methode ist relativ ungenau, und Raumfahrzeuge, die den Mond erkunden, synchronisieren die Zeit nicht miteinander. Der Ansatz funktioniert, wenn der Mond eine Handvoll unabhängiger Missionen beherbergt, aber es wird zu einem Problem, wenn mehrere Raumschiffe zusammenarbeiten. Weltraumbehörden werden sie auch mithilfe der Satellitennavigation verfolgen wollen, die auf präzise Zeitsignale angewiesen ist.

Es ist nicht klar, welche Form eine universelle Mondzeit annehmen würde. Uhren auf der Erde und auf dem Mond ticken aufgrund der unterschiedlichen Gravitationsfelder der beiden Körper naturgemäß unterschiedlich schnell. Die offizielle Mondzeit kann auf einem Uhrensystem basieren, das für die Synchronisierung mit UTC ausgelegt ist, oder sie kann unabhängig von der terrestrischen Zeit sein.

Vertreter von Raumfahrtagenturen und akademischen Organisationen auf der ganzen Welt trafen sich im November 2022, um mit der Ausarbeitung von Empfehlungen zur Definition der Mondzeit im Europäischen Zentrum für Weltraumforschung und -technologie der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) in Noordwijk, Niederlande, zu beginnen.

Entscheidungen müssen schnell getroffen werden, sagt Patrizia Tavella, Leiterin der Zeitabteilung beim Internationalen Büro für Maß und Gewicht im französischen Sèvres. Wenn keine offizielle Mondzeit festgelegt wird, werden Raumfahrtagenturen und private Unternehmen ihre eigenen Lösungen finden, sagt sie. „Deshalb wollen wir jetzt warnen und sagen, lasst uns gemeinsam eine Entscheidung treffen.“

Satelliten verfolgen

Der dringendste Bedarf an Mondzeit ergibt sich aus Plänen, ein dediziertes globales Navigationssatellitensystem (GNSS) für den Mond zu schaffen, ähnlich wie GPS und andere Satellitennavigationsnetze eine genaue Standortverfolgung auf der Erde ermöglichen. Weltraumbehörden planen, dieses Mond-GNSS ab etwa 2030 zu installieren. Die ESA genehmigte auf ihrer Ministerratssitzung vom 22. bis 23. November 2022 in Paris ein Mondsatellitennavigationsprojekt namens Moonlight, und die NASA hat ein ähnliches Projekt namens Lunar Communications Relay and Navigation Systems gestartet. Letzten Januar.

Bisher haben Mondmissionen ihren Standort mithilfe von Funksignalen bestimmt, die zu festgelegten Zeiten an große Antennen auf der Erde gesendet wurden. Aber mit Dutzenden von geplanten Missionen „sind einfach nicht genug Ressourcen vorhanden, um alle abzudecken“, sagte Joel Parker, ein Ingenieur, der am Goddard Center an der Mondnavigation arbeitet.

In einem ersten Schritt werden ESA und NASA versuchen, Positionen auf dem Mond ab 2024 abzuleiten, indem sie schwache Satellitennavigationssignale von erdgestützten Fahrzeugen verwenden. Als nächstes planen die Mond-GNSS-Projekte, spezielle Satelliten um den Mond zu platzieren, jeder mit seiner eigenen Atomuhr. Ein Empfänger, beispielsweise auf der Mondoberfläche, trianguliert dann seine Position anhand der Zeit, die Satellitensignale benötigen, um ihn zu erreichen. Die ESA hat eine erste Konstellation von vier Raumfahrzeugen geplant, die die Navigation auf dem Südpol des Mondes abdecken werden, der einen Großteil des Mondwassers beherbergt und ein Hauptziel für die Erforschung ist, sagt Jörg Hahn, ein Ingenieur, der am Moonlight-Projekt der ESA arbeitet.

Mondmissionen brauchen auch eine offizielle Mondzeit, um zu kooperieren und zu kommunizieren, sagt Hahn. „Das alles muss auf eine Art Zeitbezug reduziert werden, sonst herrscht Chaos und es passt nicht zusammen.“

Eine weitere offene Frage, sagt Hahn, sei, ob Astronauten überall auf dem Mond die universelle Mondzeit verwenden würden. Während die Mondzeit, genau wie auf der Erde, die offizielle Zeitskala bleiben würde, würden Benutzer sie in Zeitzonen verschieben wollen, die mit dem Stand der Sonne am Himmel zusammenhängen. Dies ist weniger eine Frage für Metrologen als vielmehr eine Frage der Konvention. „Wenn dort tatsächlich jemand auf dem Mond lebt, finde ich das sinnvoll“, sagt er.

Charakteristische Zeit

Die Definition der Mondzeit ist nicht einfach. Während die Definition der Sekunde überall gleich ist, schreibt die spezielle Relativitätstheorie vor, dass Uhren in stärkeren Gravitationsfeldern langsamer ticken. Die Anziehungskraft des Mondes ist schwächer als die der Erde, was bedeutet, dass für einen Beobachter auf der Erde eine Monduhr schneller laufen würde als eine Erduhr. Gramling schätzt, dass eine Monduhr in 24 Stunden etwa 56 Mikrosekunden vorgehen würde. Im Vergleich zu einer Uhr auf der Erde würde sich die Geschwindigkeit einer Uhr aufgrund der Rotation des Mondes auch je nach ihrer Position auf der Mondoberfläche geringfügig ändern, sagt Tavella. „Dies ist ein Paradies für Experten der Relativitätstheorie, weil es so viele Dinge zu beachten gibt“, fügt sie hinzu.

Die Definition eines Mondstandards, mit dem alle Uhren verglichen werden, beinhaltet die Installation von mindestens drei Hauptuhren, die im natürlichen Rhythmus des Mondes ticken und deren Ausgabe von einem Algorithmus kombiniert wird, um eine genauere „virtuelle“ Uhr zu erzeugen.

Was als nächstes passiert, hängt davon ab, welche Option Metrologen wählen. Sie könnten sich entscheiden, die Mondzeit auf UTC zu stützen. In diesem Fall würde diese virtuelle Mondzeit regelmäßig mit der terrestrischen UTC synchronisiert. Zwischen den Check-Ins würden die Mondhauptuhren weiterhin die Zeit bis zur nächsten Synchronisierung markieren. Dies hat den Vorteil, dass es für Benutzer auf der Erde einfach ist, damit zu interagieren.

Die Alternative wäre, die synthetisierte Ausgabe der Atomuhren des Mondes als eigene unabhängige, kontinuierliche Zeit des Mondes zu verwenden und seine Beziehung zur UTC zu verfolgen. Auf diese Weise werden die Uhren auf dem Mond auch dann noch übereinstimmen, wenn die Verbindung zur Erde unterbrochen wird, und eine sichere Navigation und Kommunikation ermöglichen, sagt Gramling. Das Festlegen einer unabhängigen Zeit ist ein Modell, das auch für die weiter entfernten Planeten funktionieren wird, auf die Weltraumagenturen schließlich abzielen, wie zum Beispiel den Mars. Dort UTC zu senden wäre komplizierter als zum Mond, fügt sie hinzu.

In diesem Szenario könnten die Tage auf dem Mond sogar anders als auf der Erde definiert werden, um die Zeit von Sonnenmittag zu Sonnenmittag mit durchschnittlich 29,5 Erdtagen zu berücksichtigen. Erdtage werden für Astronauten immer wichtig sein, da der Mensch in einem etwa 24-Stunden-Zyklus schlafen muss. Aber die Definition ist etwas, auf das sich Metrologen einigen müssen.

Metrologen müssen auch entscheiden, wo auf dem Mond die Hauptuhren aufgestellt werden sollen. Wie auf der Erde beeinflusst die Höhe der Geräte die Klopfgeschwindigkeit. Die Uhren könnten sich im Mondorbit oder auf der Oberfläche befinden, sagt Hahn. „Darüber diskutieren wir derzeit mit unseren NASA-Kollegen.“

Raumfahrtagenturen erwägen auch andere notwendige Standards – etwa welche Karten des Mondgeländes und welche Koordinatensysteme für die Navigation verwendet werden sollen – durch die Interagency Operations Advisory Group, ein Gremium nationaler Raumfahrtagenturen, und das Internationale Komitee der Vereinten Nationen für GNSS. Um die Systeme verschiedener Länder interoperabel zu machen, müssten Referenzsysteme international vereinbart werden, sagt Gramling.

Mit Hilfe der ESA entwickelt die NASA ein Framework namens LunaNet, für das sie auf internationale Zustimmung hofft. LunaNet besteht aus einer Reihe von Regeln, die es allen Mondsatelliten-Navigations-, Kommunikations- und Computersystemen ermöglichen würden, ein einziges Netzwerk zu bilden, ähnlich dem Internet, unabhängig davon, in welchem ​​​​Land sie installiert sind. Das Einstellen der Mondzeit ist Teil eines viel größeren Ganzen.

„Die Idee ist, ein Internet im Sonnensystem zu schaffen“, sagt Gramling. „Und der erste Teil wäre auf dem Mond.“

Dieser Artikel wird mit Genehmigung reproduziert und wurde erster Druck am 24. Januar 2022.

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