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Eine Atomuhr, ein "grünes" Treibmittel und ein Segel, das im Sonnenlicht surft, fliegen nächste Woche in den Weltraum

Am Montag startet SpaceX den dritten Flug seiner stärksten Rakete, der Falcon Heavy. Und dieses Mal bringt es eine Vielzahl neuer Technologien in den Weltraum, angefangen von einer neuen Art von Atomuhr bis hin zu einem dünnen Segel, das sich im Sonnenlicht bewegt. Wenn sie die raue Umgebung der Erdumlaufbahn überstehen, könnten sich diese neuen Technologien zu wertvollen Werkzeugen für zukünftige Weltraummissionen entwickeln.

Eine Kombination von 24 Satelliten wird auf dieser Mission in den Weltraum fliegen, zusammengesetzt aus dem Verteidigungsministerium, der NASA, der National Oceanic and Atmospheric Administration und den Universitäten. Es wird nicht einfach sein, alle diese Satelliten auf die vorgesehenen Umlaufbahnen zu bringen. Die zwei Dutzend Nutzlasten müssen in drei getrennten Umlaufbahnen abgesetzt werden, was bedeutet, dass der Falcon Heavy innerhalb von sechs Stunden seinen Motor bis zu viermal neu zündet, um die Satelliten dorthin zu bringen, wo sie gebraucht werden. Der CEO von SpaceX, Elon Musk, behauptet, dieser komplizierte Flug sei der „schwierigste Start aller Zeiten“ des Unternehmens.

An Bord eines der Satelliten des Falcon Heavy befindet sich eine kleine Uhr von der Größe eines Toasters. Aber es ist keine gewöhnliche Uhr wie die, die Sie an einer Wand finden oder eine Uhr, die Sie am Handgelenk tragen würden. Diese Uhr ist genauer als jede persönliche Uhr hier auf der Erde. Während die Uhren, die wir verwenden, mit der Zeit schneller oder langsamer werden, würde es bis zu 10 Millionen Jahre dauern, bis diese bestimmte Uhr, die als Deep Space Atomic Clock bezeichnet wird, um eine Sekunde schneller oder langsamer wird.

Alle Uhren halten Schritt, indem sie die Zeit zwischen sich wiederholenden Ereignissen messen. Alte analoge Uhren werden wie Standuhren die Schwingungen zwischen einem Pendel, das sich hin und her bewegt, messen. Einige moderne Uhren senden Spannungen durch Quarze, die dann jede Sekunde mit der gleichen Frequenz vibrieren. Andererseits misst eine Atomuhr, wie lange es dauert, bis kleine Teilchen aus verschiedenen Energiezuständen übergehen. Hier bekommen diese Uhren ihre Namen: Sie haben es mit Atomen zu tun.

Die Deep Space Atomic Clock manipuliert ein bestimmtes geladenes Atom, das als Ion bezeichnet wird. In der Uhr befinden sich Röhren, die mit Quecksilberionen gefüllt sind – die gleiche Menge Quecksilber, die Sie in zwei Dosen Thunfisch finden. Mikrowellen, die genau auf die richtige Frequenz eingestellt sind, werden verwendet, um diese Ionen zu stören und das Quecksilber vollständig zu erregen. Dies bewirkt, dass sich die Ionen zwischen verschiedenen Energiezuständen hin und her bewegen. "Dann passiert die Magie, weil diese Übergangsfrequenz sehr bekannt und sehr genau ist", erzählt Jill Seubert, stellvertretende Hauptforscherin der Mission Deep Space Atomic Clock Der Rand.

Die NASA verwendet seit einiger Zeit quecksilberbasierte Uhren am Boden, aber die Geräte hatten in der Regel die Größe von Kühlschränken und waren zu groß, um auf Raumfahrzeuge zu passen. Andere kleinere Atomuhren wurden schon früher auf GPS-Satelliten ins All geschickt, aber sie messen Elemente wie Cäsium oder Rubidium. Während sie präzise sind, hören sie schließlich auf, genau zu sein, da ihre Atome im Laufe der Zeit verloren gehen. "Sie werden irgendwie in die Wände ihres Containers eingebettet", sagt Seubert. Quecksilberionenuhren wie die Deep Space Atomic Clock sind noch präziser, da die Ionen nicht gegen die Wände ihrer Behälterröhren stoßen und das System intakt hält.

Weil sie so zuverlässig sind, hat die NASA daran gearbeitet, diese Systeme zu miniaturisieren, und jetzt wird die Deep Space Atomic Clock zeigen, ob ein Quecksilber-basiertes Instrument dieser kleinen Größe im Weltraum funktionieren kann. Das Team hinter dem Instrument hofft, es im August einschalten zu können und dann zu sehen, ob es im nächsten Jahr wie beabsichtigt funktioniert. In diesem Fall könnte die Mission zur Entwicklung weiterer hochpräziser Atomuhren führen, mit deren Hilfe Raumfahrzeuge nicht nur die Zeit halten, sondern auch durch den Weltraum navigieren können.

Ab sofort haben Fahrzeuge, die aus der Umlaufbahn unseres Planeten herausfahren, keine Atomuhren und müssen sich für die Navigation auf Befehle von der Erde verlassen. Die Ingenieure senden Pings und warten, bis sie eine Antwort von einem Fahrzeug erhalten. Diese Relaiszeit hilft ihnen, festzustellen, wo sich das Raumschiff befindet. Das kann jedoch ein langer Prozess sein, abhängig von der Entfernung eines Raumfahrzeugs. Zum Beispiel müssen Fahrzeuge auf dem Mars manchmal zwischen vier und 20 Minuten auf Befehle von der Erde warten. Aber wenn diese Fahrzeuge Atomuhren hätten, könnten die Ingenieure Pings an das Raumschiff senden, und ihre Atomuhren könnten berechnen, wo sie sich befinden, basierend darauf, wie lange es gedauert hat, um das Signal zu erhalten. Dann könnte das Raumschiff von alleine navigieren und die Richtung ändern. "Wenn wir auf anderen Planeten und Monden ein GPS-ähnliches Netzwerk aufbauen wollen, müsste es eine Atomuhr geben, und diese Technologie ist dort die naheliegende Wahl", sagt Seubert.

Viele der Raumfahrzeuge auf dem Start von Falcon Heavy müssen sich im Weltraum bewegen, um ihre Position stabil zu halten oder um höhere Umlaufbahnen zu erreichen. Typischerweise sind die für diese kleinen Motoren verwendeten Chemikalien alle die gleichen giftigen Materialien. Aber ein Raumschiff, das nächste Woche in den Orbit fliegt, wird einen "grünen" Treibstofftyp testen, der viel benutzerfreundlicher ist.

Es ist alles Teil der Green Propellant Infusion Mission (GPIM) der NASA. Das Fahrzeug wird mit einem neuen Treibstofftyp betrieben, der von der US-Luftwaffe entwickelt wurde und als Alternative zu Hydrazin dienen soll, dem derzeit bevorzugten Treibstoff für die meisten Satellitentriebwerke. Dieses neue Material könnte für Satellitenbetreiber eine attraktive Option sein, da Hydrazin besonders unangenehm ist. Es kann bei Raumtemperatur sehr reaktiv sein und giftige Dämpfe abgeben. Hydrazin muss in bestimmten Arten von Metallbehältern und explosionsgeschützten Lastwagen transportiert werden, und Personen müssen beim Umgang mit dem Treibmittel Schutzkleidung tragen. All diese Vorsichtsmaßnahmen summieren sich und machen die Entwicklung teurer und zeitaufwendiger.

Im Gegensatz dazu ist das nächste Woche aufkommende „grüne“ Treibmittel Hydroxylammoniumnitrat viel schmackhafter und enthält keine schädlichen Dämpfe. "Sie können ein Glas auf Ihrem Schreibtisch haben und nichts darauf riechen", sagt Christopher McLean, der leitende Ermittler für GPIM bei Ball Aerospace, der den Satelliten entwickelt hat Der Rand. "Und wenn die Temperatur nicht hoch genug ist, entzündet sie sich überhaupt nicht." Dies erleichtert laut McLean auch den Transport dieses Materials erheblich. "Wir versenden dieses Zeug über FedEx in einem Plastikkrug und legen es dann in unsere Verladeausrüstung", sagt er.

Dieses grüne Treibmittel hat außerdem den zusätzlichen Vorteil, dass es für Satelliten effizienter ist, da es viel dichter ist. Laut McLean können Sie damit 50 Prozent mehr Kraftstoff in den Tank eines Satellitenmotors befördern als mit Hydrazin. Dadurch könnte ein Satellit möglicherweise eine viel längere Umlaufbahn haben, da er mit der Zeit mehr Treibstoff für Positionsänderungen oder Manöver benötigt.

Der einzige Nachteil dieses Materials ist, dass es heiß brennt, wenn es brennt. Wenn Hydrazin in einem Motor reagiert, werden bis zu 900 Grad Celsius erreicht, während das grüne Treibmittel bis zu 1.800 Grad Celsius erreicht. "Das machte es unmöglich, Standard-Hydrazin-Motoren dafür zu verwenden", sagt McLean. "Wir mussten neue Materialien und Technologien entwickeln, die mit dieser höheren Temperatur kompatibel waren."

Im Weltraum testet der GPIM-Satellit dieses Treibmittel an Bord, indem er seine Umlaufbahn von einer kreisförmigen auf eine elliptischere umläuft. Der Satellit wird dann ungefähr ein Jahr damit verbringen, einige Experimente für die Luftwaffe durchzuführen, bevor er ein letztes Mal mit seinem Treibmittel aus der Umlaufbahn kommt und in die Erdatmosphäre eintaucht.

Während die NASA das grüne Treibmittel testet, testet eine andere Organisation einen Weg, um Raumschiffe durch den Kosmos zu treiben, ohne überhaupt Treibstoff zu verbrauchen. Stattdessen braucht es nur Licht von der Sonne.

Das Raumschiff heißt LightSail 2 und ist das Produkt von Ingenieuren der Planetary Society, einer gemeinnützigen Organisation, die sich für die Erforschung des Weltraums einsetzt. Das Fahrzeug ist mit einem sehr dünnen Segel aus Mylar ausgestattet, das sich zu einem großen Quadrat von der Größe eines Boxrings ausdehnen soll. Diese flache Oberfläche soll durch das Licht der Sonne herumgeschoben werden. Lichtteilchen haben keine Masse, aber sie tun tragen Impulse, die dazu führen können, dass sich sehr dünne reflektierende Materialien durch den Raum bewegen.

"Sobald Sie sich über der Atmosphäre befinden, brauchen Sie keinen Kraftstoff mehr", sagt Bill Nye, CEO der Planetary Society Der Rand. "Sie verwenden den Sonnendruck des Sonnenlichts, um Sie zu allen möglichen Zielen im Sonnensystem zu bringen."

Die Idee eines Sonnensegels hatte der renommierte Astrophysiker Carl Sagan in den 1970er Jahren und präsentierte das Konzept sogar auf Die Tonight Show mit Johnny Carson. Jetzt, mehr als vier Jahrzehnte später, hat Nye, ein ehemaliger Schüler von Sagan, dazu beigetragen, diese Vision mit anderen Mitgliedern der Planetary Society in die Realität umzusetzen. "Es ist einfach romantisch", sagt Nye. "Es ist einfach fantastisch, dass man auf Sonnenstrahlen segeln kann." 2015 startete die Planetary Society eine Vorläufermission mit dem Namen LightSail 1, mit der der Auslösemechanismus für das Sonnensegel getestet werden sollte. Diese Mission war ein Erfolg und bewies, dass der Einsatz funktionieren konnte (obwohl das Raumschiff einige Male durch fehlerhafte kosmische Strahlung zappte).

Jetzt möchte die Planetary Society dieses Mal tatsächlich segeln. LightSail 2 fliegt in die Umlaufbahn eines anderen Raumfahrzeugs namens Prox-1, das die Nutzlast schließlich in die Umlaufbahn befördern wird. Einmal alleine wird LightSail 2 sein Sonnensegel ausdehnen und sich dann mit einem Elektromotor im Inneren des Raumfahrzeugs im Weltraum drehen. Auf diese Weise kann das Fahrzeug sein Segel ausrichten, um den besten Schub von der Sonne zu erhalten. Während er sich um den Planeten bewegt, verschiebt er seine Position und rollt auf der Nachtseite der Erde der Sonne entgegen. Dann dreht es sein Segel, um die Sonnenstrahlen am Tag einzufangen. Dieser Schub wird letztendlich die Umlaufbahn des Raumfahrzeugs im Laufe der Zeit erhöhen und es auf eine höhere Umlaufbahn bringen.

Wenn dies funktioniert, zeigt LightSail 2 eine Möglichkeit für Raumfahrzeuge, sich ohne die Verwendung herkömmlicher Treibmittel durch den Weltraum zu bewegen, was viel Platz auf einem Raumfahrzeug beanspruchen kann. Stattdessen könnten kleine Satelliten auf der Erde mit Sonnensegeln ausgestattet werden, die ihnen die dringend benötigte Mobilität ermöglichen und Platz für mehr Instrumente und Sensoren schaffen. Nye sieht auch die Möglichkeit vor, mit einem Sonnensegel Materialien zum Mond oder Mars zu schicken.

Nachdem sich das Segel entfaltet hat, besteht die Möglichkeit, dass die Menschen auf der Erde einen Blick darauf werfen können, wenn es das Licht der Sonne reflektiert. Die Planetary Society wird auf ihrer Website einen Link bereitstellen, der enthält, wo und wann LightSail 2 über Kopf verkehrt, sodass wir Earthlings bestens beobachten können. "Wir freuen uns sehr, dass es Menschen auf der ganzen Welt ansprechen wird, da es buchstäblich von der Oberfläche aus sichtbar ist", sagt Nye.