Web-Projekt Physik des Monats             November

Instrumente und Methoden;     Astronomie:     Raumfahrt, Satelliten

Ballone       Raketen       Flugzeuge       Satelliten

Raumfahrt

Die Erdatmosphäre absorbiert nahezu alle aus dem Universum zu uns kommende Strahlung. Nur die Strahlung im sogenannten sichtbaren Fenster sowie der grösste Teil der Radiostrahlung wird durchgelassen (siehe Bild zu Absorption). Um die im Universum bei den anderen Wellenlängen strahlenden Quellen zu studieren (z.B. Sterne, interstellares Medium, Galaxien), müssen Messgeräte so hoch wie möglich über die Erdatmosphäre gebracht werden. Dort ist die Atmosphäre so dünn, dass Menschen nicht überleben können. Daher sind solche Unternehmen fast immer unbemannt und die Geräte messen `selbstständig'. Sowohl Messeinrichtungen zur Bestimmung von Lage und Blickrichtung (Koordinatensystem), Geräte zur Messung der Strahlung als auch Funkinstallationen zum Empfang von Kommandos und zum Herunterfunken von Messdaten sind dann erforderlich. Damit wurde die Raumfahrt zu einen ganz bedeutsamen Forschungs- und Technologiezweig der Naturwissenschaften. Da das Gewicht der Geräte möglichst klein sein muss, trug die Raumforschung massgeblich zur Miniaturisierung der Elektronik bei.

Für Messungen in fast allen Wellenlängenbereichen (UV, X-ray, IR) werden Geräte auf Träger (Ballone, Raketen, Flugzeuge, Satelliten) zu grossen Höhen über die Erdoberfläche gebracht. Sogar für Messungen im sichtbaren Teil des Spektrums sind Satelliten vorteilhaft: es gibt dort keine Störung der Abbildung durch die Luftunruhe der Erdatmosphäre (Hubble Space Telescope!).

Zu jedem der möglichen Träger gibt es Vor- und Nachteile.

Ballone

Ballone gibt es in Form von Heissluftballonen seit dem Ende des 18.Jh. und sehr bald wurden sie auch zur Durchführung naturwissenschaftlicher Messungen benutzt. Die ab Mitte des 20. Jh. an Ballonen hochgebrachten Messgeräte haben wesentlich zu Vorbereitung der professionellen Astronomie in den Wellenlängenbereichen UV, Röntgen, Gamma und Infrarot beigetragen. Moderne Ballone werden zu etwa 10% mit dem sehr leichten He-Gas gefüllt. Sie steigen auf, tragen das Gerät mit nach oben, dort dehnt sich das Helium aus und auf Flughöhe (etwa 40 km) füllt dieses Helium Ballone komplett aus. Ballone treiben dann mit den vorherrschenden Luftströmen mit. Am Ende so einer Mission wird das Gerät vom Ballon getrennt und mit einem Fallschirm zur Erdoberfläche zurückgebracht.

Ballon beim Start
Obere Teil des Ballons in der Start-Einrichtung. Der grösste Teil des Ballons liegt auf dem Boden (nach hinten), dann folgt der Fallschrirm und das Kabel mit dem Missionsgerät getragen vom Startfahrzeug. (Palestine, TX, USA.)
 
Ballon in 40 km Höhe
Der Ballon ist auf Flughöhe (etwa 40 km) mit voller Ausdehnung des Helium-Gases zu sehen. In der Mitte unten der Fallschirm und ganz unten das Missionsgerät. (Bild: Winzen Balloon).

Vorteile von Ballonen sind: ruhige Start und Landung, ziemlich stabiles Koordinatensystem, normalerweise Zurückkehr des Geräts auf die Erde ohne Schaden. Nachteile sind: die Messdauer ist meistens nur eine Nacht, die `normale' Flughöhe ist `nur' etwa 40 km (dort gibt es schon noch einiges an Erdatmosphäre über dem Ballon), der Ballon kann nur bei ruhigem Wetter gestartet werden und treibt unter Umständen im Höhenwind weg von der Bodenstation.

Ballone wurden und werden von speziellen Stationen us gestartet, z.B. in Aire-sur-Ladour (F) oder Palestine (TX, USA).

Raketen

Versuche mit Raketen gab es seit Anfang des 20.Jh. Im Laufe der Entwicklungen wurden Raketen immer stärker und zuverlässiger. Von den ersten wissenschaftlichen Raketenmissionen (Anfang 1960-er) hat insbesondere die UV-Astronomie profitiert.

Vorteile von Raketen sind: die grosse erreichbare Höhe. Nachteile sind: die kurze Flugdauer (Minuten bis wenige Stunden), die Schwierigkeit die Rakete bei der Rückkehr sicher abzufangen.

Raketen für kurze Missionen wurden und werden gestartet von, z.B., Woomera (Australien), White Sands Missile Range (NM, USA).

Flugzeuge

Flugzeuge sind vorwiegend für Messungen im Infrarotbereich eingesetzt worden.

Vorteile von Flugzeugen sind: bemannte Mission, das Gerät kann wärend des Fluges gut bedient werden, keine Gefahr für Zerstörung des Geräts bei Rückkehr. Nachteile sind: Flughöhe ist (relativ gesehen) gering (10-12 km), man kann das Teleskop im Allgemeinen nur `schräg' aus einem Fenster nach oben schauen lassen.

Bekannte Astronomie-Flugzeuge (siehe auch Infrarot) sind: Caravelle (Frankreich), Kuiper Airborne Observatory (C141; USA), SOFIA (B747; USA+D).

Satelliten

Mit Satelliten können langdauernde Missionen realisiert werden, die voll über der Erdatmosphäre ablaufen. Sie müssen mit kräftigen Raketen starten, um eine Umlaufbahn um die Erde zu erreichen. Aber auch kurze Satellitenmissionen sind möglich, z.B. die des ORFEUS- ASTRO-SPASS   (Fern-UV zur Studie des interstellaren Mediums), das von der Space-Shuttle freigesetzt 2 Wochen als selbstständiger Satellit Messungen durchführte.

Fast alle Satelliten haben einen `Sonnensensor', mit der die Richtung zur Sonne gefunden wird um wenigstens eine Richtung im Raum definiert zu haben und um die Sonnenpanele zur Energieversorgung gut ausrichten zu können. Desweitern haben viele Satelliten Spindeln (Gyroskope) an Bord, deren Drehachse fest orientiert bleibt, so dass damit die Orientierung des Satelliten ermittelt werden kann.

Bahnen.
= Die niedrige Bahnen der Satelliten haben eine Höhe von 300 bis 500 km und liefern eine Erdumlaufzeit von etwa 90 Minuten. Hier muss regelmässig Funkkontakt mit dem Satelliten organisiert werden, um Kommandos hin- und Daten zurückzuschicken. Dies ist die Flughöhe der Space-Shuttle und des HST.
= Hohe Bahnen haben dementsprechende Umlaufzeiten. Viele Satelliten sind auf ziemlich elliptische Bahnen geschickt worden. Sie erlauben eine Phase von ruhigen Messungen mit wenig elektromagnetischer Störung aus der engeren Erdumgebung. Beispiele solcher Satelliten sind ROSAT, Hipparcos.
= Sehr vorteilhaft sind geosynchrone oder geostationäre Bahnen. Sie erfordern aber sehr viel Treibstoff für die dazu erforderliche Rakete und sind daher kostenspielig. Geosynchrone Bahnen sind die, in der der Satellit eine Erdumlaufzeit von 24 Stunden hat, ohne aber immer in genau der gleichen Himmelsrichtung zu sein. Das bekannteste Beispiel aus der Astronomie ist der UV-Satellit IUE, der 18 Jahre lang als Observatoriumin real time betrieben wurde. Geostationäre Bahnen sind die, in der der Satellit scheinbar fest am Himmel steht. Diese werden für Fernsehsatelliten benutzt.
= Es ist unter Ausnutzung der Gesetze der Himmelsmechanik möglich, Satelliten in komplizierten Bahnen so durch das Planetensystem zu steuern, dass im Vorbeiflug anderer Himmelskörper kinetische Energie gewonnen werden kann, um sehr ausgefallene Bahnen zu erreichen.

Vorteile von Satelliten sind: sehr gute und ungestörte Messmöglichkeiten. Nachteile sind: sehr komplizierte Geräte und daher teuer, bei Schaden keine Reparatur möglich (ausser bei dem Niedrigbahn HST).

Es gibt sehr viele bekannte Satelliten. Einige davon sind bei den bestimmten Wellenlängenbereichen (UV, X-ray, IR) aufgeführt.

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Autor: K.S. de Boer       Sternwarte, Universität Bonn, Auf dem Hügel 71, D-53121 Bonn
mail to: deboer@astro.uni-bonn.de
Veröffentlicht am 16.11.2000 im Jahr der Physik (www.physik-2000.de) auf www.astro.uni-bonn.de/~deboer/pdm/pdminstastsat.html
Fassung 2000.11.22/ 2004.07.13