Steampunk bei der Mondlandung: Der Space Sextant

Der Weg zur Mondlandung musste im wahrste Sinne erst mal gefunden werden. Und dafür wurde eine uralte Technik zur Navigation von der NASA neu aufgelegt.

Als der ersten Mensch bei der Mondlandung seinen Fuß auf den Trabanten setzte, war es noch über ein Jahr, bevor ich die Erde betreten habe. Im Jahr 1981 kam der Commodore VC 20 auf den Markt, der wenig später mein erster Computer sein sollte. Ich war technologisch also nicht unglaublich weit vom Mondflugzeitalter Ende der 60er-Jahre entfernt. Aber doch staune ich immer wieder, wenn ich darüber lese oder in Dokumentationen sehe, mit welcher Ausrüstung man damals zum Mond geflogen ist. Und manchmal ist es auch nur der Name der Technik, der mich stauen lässt.

Astronaut Walter Cunningham arbeitet bei der Apollo-7-Mission am Space Sextant des Kommandomoduls.
Astronaut Walter Cunningham arbeitet bei der Apollo-7-Mission am Space Sextant des Kommandomoduls. Foto: NASA

Space Sextant — das klingt nach Steampunk, nach Science Fiction mit Dampf, Schrauben und Bolzen. Einen Sextanten hat man vor Augen, wenn man an die die Seefahrten vor vielen hundert Jahren denkt, zur Raumfahrt mag das Instrument so gar nicht passen.

Dabei hat der Sextant als Instrument zur Bestimmung der Position erst mit der Einführung von GPS wirklich an Bedeutung in der Seefahrt verloren. In den 1960er-Jahren war das Gerät noch auf jedem Schiff im Einsatz. Und eben auch in den Raumschiffen der Mercury- und Apollo-Missionen.

Kurs zum Mond! – aber welchen Kurs?

Das Ziel des Apollo-Projekts war eine bemannte Mondlandung. Dass es nicht einfach sein würde, die Apollo-Kapseln auf ihrer 1,5-Millionen-Kilometer-Reise sicher zu navigieren, war der NASA sehr früh klar. Darum war einer der ersten Verträge, den die Behörde für das Apollo-Programm abschloss, der mit dem Instrumentation Lab des Massachusetts Institute of Technology (MIT).

Das MIT/IL hatte bereits eine Studie für eine mögliche Navigation einer Marssonde entwickelt. Die Sonde ist nie gebaut worden, die technischen Ideen für eine gezielte Navigation lagen aber noch in Schubladen des Instituts.

„This Mars probe had several novel features, later incorporated in the Apollo system, including a space sextant to make periodic navigation angle measurements between pairs of celestial objects: the sun, the near planets, and selected stars.“
(Diese Marssonde hatte mehrere neue Funktionen, die später in das Apollo-System übernommen wurden, darunter einen Weltraum-Sextanten, um periodisch Winkelmessungen für die Navigation zwischen Paaren von Himmelsobjekten zu machen: Die Sonne, die nahen Planeten und ausgewählte Sterne)
„The History of Apollo On-Board Guidance, Navigation and Control“, The Eagle Has Returned, Science and Technology, Vol. 43, American Astronautical Society Publication, 1976

Apollo 11 von außen, mit Space Sextant. Foto: NASA
Apollo 11 von außen, mit Space Sextant. Foto: NASA

Das Instrumentation Lab ließ sich für die Navigation im All von einem bewährten Gerät inspirieren — dem Sextanten. Im Groben wird die Positionsbestimmung oder die Bestimmung der Ausrichtung des Raumschiffs durch die Messungs des Winkels zwischen Erde bzw. Mond und einem Stern oder zwischen zwei Sternen durchgeführt. Dabei werden die zwei Bilder der Himmelskörper durch einen beweglichen halbtransparenten Spiegel zur Deckung gebracht. Über den Winkel des Spiegels kann man mit ein paar Berechnungen und astronomischen Tabellen die Position bestimmen.

Navigation im Sternenmeer

Die Prinzipien der Messung sind beim nautischen Sextanten und dem Space Sextant gleich. Vielleicht war die Entscheidung, eine beinahe archaische Technik aus der Seefahrt für die Navigation im All zu verwenden, auch von dem Bild inspiriert, dass der US-Präsident Kennedy in seiner berühmten Mondlandung-Rede benutzte:

„We set sail on this new sea because there is new knowledge to be gained, […]“
(Wir setzen die Segel auf dieser neuen See, weil dort neues Wissen zu erwerben ist, […])
John F. Kennedy, „Mond-Rede“, 12. September 1962

Der Weltraum als das neue Meer, das nun befahren werden soll. Da passte ein Sextant im All wie die Faust aufs Auge. So ähnlich die Prinzipien des Seefahrer- und Raumfahrer-Sextanten aber auch waren, im Aufbau unterschieden sich die beiden Instrumente sehr. Und so einfach es klingt — der Sextant (SXT) der Apollo-Raumschiffe war ein hochkomplexes Gerät. Es hatte eine 28-fache optische Vergrößerung. Es konnte manuell bedient werden — der Astronaut steuert das Kommandomodul so, dass die Bilder der angepeilte Himmelskörper übereinander liegen –, halbautomatisch — der Computer berechnet die nötige Drehung und führt sie aus — oder vollautomatisch — der Computer übernimmt alles. Statt in umfangreichen astromischen Tabellen nachzuschlagen, übernahm der Navigationsomputer, der AGC (Apollo Guidance Computer) die Berechnungen nach gespeicherten Sterndaten.

Eine erster Prototyp wurde beim Flug von Gemini 10 von den Astronauten Michael Collins und John Young im Jahr 1966 getestet — mit mäßigem Erfolg.

John, I don’t know what’s wrong with this sextant. I’m sorry, but this thing – I cannot put the image through it. I look through it and — […] — there must be something wrong with this thing.
(John, ich weiß nicht was mit dem Sextanten los ist. Es tut mir leid, aber das Ding — ich bekomme da kein Bild hin. Ich schaue durch und — […] — da muss was falsch sein an dem Ding.
Michael Collins zu John Young, Funkverkehr Gemini 10, 1966

Space Sextant in Aktion

Das MIT/IL entwickelte den Space Sextant weiter. Doch nach der Apollo-1-Katastrophe konnte erst wieder im Oktober 1968 mit Apollo 7 das verbesserte Gerät im All getestet werden. Im Dezember des gleichen Jahres wurde es dann wirklich ernst für den Space Sextant. Mit Apollo 8 machte sich das erste bemannte Raumschiff auf, den Mond zu umkreisen. Und während des Flugs um die Rückseite des Monds war die Apollo-Kapsel auf sich alleine gestellt. Ihre Position konnte nicht von der Erde aus bestimmt werden. Der Sextant war so lange also die einzige Möglichkeit, Position und Kurs zu bestimmen.

Probe für die spätere Mondlandung: Astronaut Jim Lovell am "Space Sextant" beim Flug von Apollo 8. Foto: NASA, public domain
Astronaut Jim Lovell am „Space Sextant“ beim Flug von Apollo 8. Foto: NASA, public domain

Ein Missgeschick passierte Apollo-8-Astronaut Jim Lovell beim Rückflug zur Erde: Er löschte aus Versehen einen Teil des Speichers und ließ den Computer glauben, das Schiff stehe in Startposition. Lovell musste über den Sextanten Apollo 8 manuell an den Sternen Rigel und Sirius ausrichten und die Computer wieder mit den richtigen Daten fütter. Das war ärgerlich, aber nicht kritisch — und sehr nützlich, wie Lovell später sagte, für ein ähnliches Problem bei seinem Flug in der Apollo-13-Katastrophenkapsel.

Sicher zur Mondlandung navigiert

Der Space Sextant war ein interessantes Teil im technischen Puzzle der Apollo-Mission. Es ist schwer zu sagen, ob es ohne ihn nicht trotzdem gelungen wäre, Menschen auf den Erdtrabanten zu bringen. Schließlich konnte die Position der Raumschiffe auch von der Erde über die Antennen des Anfang der 60er gerade existierenden Deep Space Networks berechnet werden. Doch ein autarkes Navigationsystem hat sich mehrmals als nützlich erwiesen.

Ich bin hier nur sehr grob auf die technischen Feinheiten und die Funktionsweise des Space Sextants eingegangen. Wer sich dafür interessiert, sollte den Artikel „Apollo – Guidance, Navigation and Control“ (PDF) des Instrumentational Labs lesen. Dort wird — auf Englisch — sehr ausführlich von den Überlegungen des MIT/IL und der Technik der Apollo-Navigation berichtet.

Wie super ist der Supermond? Nicht sehr!

Unseren Erd-Trabanten ein klein wenig größer und heller am Himmel zu sehen, ist ja ganz schön. Aber nicht unbedingt super, denn so selten ist das nicht.

Ich freue mich ja immer, wenn es astronomische Themen auch in die „normalen“ Medien schaffen. Weniger freut mich, dass die es sich dabei oft um gemachte Sensationsnachrichten handelt.

Seit ein paar Jahren geistert der  Begriff „Supermond“ oder „Supervollmond“ durch die Medien, wenn sich der Erdtrabant mal wieder der Erde genähert hat und die Zeitungen und Nachrichtenseiten voll mit tollen Bildern von enorm großen Monden sind — vieles hat Photoshop möglich gemacht.  So auch am 14. November 2016, als der Mond auf 356 509 Kilometer an die Erde heranrückte, so nah wie schon seit dem 26. Januar 1948 nicht mehr und erst am 25. November 2034 wieder.

Das stimmt so weit auch. Der Mond wirkt natürlich — auch bedingt durch ein paar andere Effekte — wirklich größer am Himmel, wenn am erdnähsten Punkt seines Umlaufs um die Erde ist (Perigäum). Aber das Wort „Super“ halte ich für etwas übertrieben, wenn man im Blick hat, dass im Monat zuvor der erdnähste Punkt nur gut 1000 Kilometer weiter weg war — und im April diesen Jahres nur 658 Kilometer.

Natürlich darf man sich über jedes Perigäum des Mondes freuen, gerade weil sich der Trabant ja im jedem Jahr etwa 3,8 Zentimeter von der Erde entfernt, der Gezeitenwirkung sei Dank.

Also: Man erfreue ich an jeder Näherung des Mondes, die man am Himmel erleben darf. Aber man muss deswegen nicht gleich in übertriebene Euphorie verfallen und das Wort „Super“ missbrauchen.

Außerdem: Wenn schon, dann hätte ich auf gerne mal einen Erd-„Minimond“ auf den Titelblättern! 😉

Update: Auch Florian Freistetter hält nicht viel von dem Medienhype.

Die „Crazy Apes“ – Josef Gaßner im TEDx-Talk

Nachdem politisch die Welt immer mehr durchdreht, wie heute die Wahlergebnisse in den USA wieder einmal gezeigt haben, sollte man sich den TEDx-Talk von Josef Gaßner mal anschauen — um wieder runterzukommen.

„Wir Menschen müssen lernen, uns selbst nicht zu wichtig zu nehmen“, sagt Gaßner in dem Vortrag. Unser Hirn brauche ein Software-Update, damit sich die Menschheit — die verrückten Affen — nicht zu Tode zu expandiert und kooperativ auf dem wundervollen Planeten leben und ihn schützen kann. „Wir können keine Bienen drucken. Und wir können auch kein Leben drucken.“

Links zum TEDx-Talk:

Josef Gaßner in der SZ – endlich

Die Süddeutsche Zeitung hat hat einen sehr langen, aber sehr lesenswerten Artikel über Josef Gaßner mit dem Titel „Wunderer im Rätseluniversum“ geschrieben. Gaßner ist neben Harald Lesch das — sehr engagierte und sympatische — Gesicht des Youtube-Kanals „Urknall, Weltall und das Leben“. Und eben Astronom, Mathematiker, Physiker und Kosmologen in einer Person, was nicht geht, ohne Spuren zu hinterlassen. 😉

„Mathematik ist eine ganz klar strukturierte Sache, Physik aber ist irgendwie schmutzig.“ (Josef Gaßner, SZ.de)

Für mich hat Josef Gaßner seinen Doktorvater Harald Lesch — den ich nach wie vor schätze — als Vorzeige-Medien-Naturwissenschaftler abgelöst. Nicht so wortgewaltig und abgebrüht wie Lesch, dafür abwägender, offener, nüchterner und trotzdem menschlicher.

Wunderbar treffen die beiden unterschiedlichen Charaktere in der Folge „Stringtheorie und Schleifenquantengravitation“ aufeinander. Beide im Grunde skeptisch, was die Stringtheorie angeht. Doch während Lesch vor allem bockig ist und sich über die Theorie lustig macht, geht Gaßner trotz aller Vorbehalte objektiv an die Sache ran. Wie sehr da Lesch ganz bewusst „auf die Kacke haut“, weiß ich nicht. Unterhaltsam ist das Streitgespräch aber in jedem Fall. 🙂

„Naturwissenschaftler […} sind Innenarchitekten im Kosmos. Wir beobachten, vermessen und erforschen das Mobiliar. Über einen möglichen Erbauer des Gebäudes oder gar dessen Intentionen wissen wir nichts.“ (Josef Gaßner, SZ)

Das Wo-ist-Philae-Wimmelbild

Die Europäische Weltraumagentur ESA hat kurz vor dem Ende der Rosetta-Mission noch ein schönes Abschiedsgeschenk in die Antennen gelegt bekommen. Auf einem Bild des Kometen 67P/Tschurjumow-Gerassimenko, fotografiert aus 2,7 Kilometer Entfernung am 2. September 2016 von der Sonde Rosetta, ist der Philae-Lander zu sehen. Seit der teilweise missglückten Landung am 12. November 2014 war der Aufenthaltsort von Philae auf dem Kometen unbekannt.

Ähnlich wie bei den Wimmelbild-Büchern „Wo ist Walter?“ könnt ihr euch jetzt im Kometen-Oberflächengewimmel auf die Suche nach dem kleinen Philae machen. 😀 Auf das Bild klicken, dann geht die große Version auf (5 MB).

Die Lösung gibt es auf der ESA-Seite.

Philae auf Tschuri gefunden.
Irgendwo hier ist der kleine Philae-Lander zu sehen. Ein Pixel sind etwa fünf Zentimeter. Foto: ESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA

Jupiter und das lächelnde Polarlicht

Das Weltraumteleskop Hubble ist normalerweise mehr ein Sterngucker. Bilder ferner Galaxien, Nebel und Sterne hat es schon tausendfach geliefert. Seine unmittelbare Nachbarschaft im Sonnensystem hat Hubble verhältnismäßig selten in den Blick genommen.

Seit ein paar Monaten schaut das Weltraumteleskop fast täglich auf Jupiter — auch wegen der Juno-Mission der NASA. Dabei sind auch spektakuläre Bilder von Polarlichtern auf dem Jupiter entstanden. Und ich könnte schwören, dass darin ein Smiley zu sehen ist. 🙂

This full-disc image of Jupiter was taken on 21 April 2014 with Hubble's Wide Field Camera 3 (WFC3). Credits: NASA, ESA, and J. Nichols (University of Leicester)
This full-disc image of Jupiter was taken on 21 April 2014 with Hubble’s Wide Field Camera 3 (WFC3). Credits: NASA, ESA, and J. Nichols (University of Leicester)

Jupiter und Juno: Im Land des unscharfen Gasriesen

Seit Anfang Juli treibt sich die NASA-Raumsonde Juno im Bereich des Jupiters herum. Juno hat eine … nun, nennen wir es mal PR-Kamera dabei. Die JunoCam hat kaum einen wissenschaftlichen Zweck bei der Mission, sie dient vor allem der Öffentlichkeitsarbeit. Ja, auch so funktioniert Raumfahrt.

Noch gibt es keine hochauflösende Bilder des fünften Planeten und seiner Monde, am 27. August soll sich das bei der nächsten Annäherung Junos an den Jupiter aber ändern.

Aber selbst die noch recht unscharfen Bilder sind durchaus beeindruckend.

Jupiter, aufgenommen am 10 Juli 2016 von der Raumsonde Juno. Rechtes neben dem Gasriesen sind die Monde Io, Europa und Ganymed zu sehen.Credits: NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS
Jupiter, aufgenommen am 10 Juli 2016 von der Raumsonde Juno. Rechts neben dem Gasriesen sind die Monde Io, Europa und Ganymed zu sehen. Credits: NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS

Exoplaneten in Massen und doch nicht genug

In einer neuen Folge von Urknall, Weltall und das Leben erklärt Josef Gaßner, wie die Suche nach Planeten außerhalb unseres Sonnensystems funktioniert und stellt ein paar der gefundenen Exoplaneten vor.

Immer mehr Exoplaneten gefunden

Suche nach Exoplaneten: Kepler 16 Transit. (NASA/JPL-Caltech/R. Hurt)
Kepler 16 Transit. NASA/JPL-Caltech/R. Hurt

Bis Ende März 2016 führte die NASA 1962 Exoplaneten in ihrer Liste, die als bestätigt gelten. Dazu gibt es noch etliche mögliche Kandidaten, so wie Alpha Centauri Bb, der — wenn er wirklich existieren würde — mit 4,01 Lichtjahren unserem Sonnensystem am nächsten wäre. Aber in diesem Satz sind nicht umsonst einige Konjunktive.

1041 dieser Planeten wurde mit dem Weltraumteleskop Kepler entdeckt, der größte Teil davon 2014, als alte Kepler-Daten nochmal mit einem statistischen Verfahren analysiert wurden. Aber die Anzahl der gefundenen extrasolaren Planeten hat in den letzten Jahren zugenommen und wird mit weiteren Missionen noch ansteigen.

Neue Instrumente für die Planetensuche in Sicht

Mal sehen, wie lange Kepler mit seinen mittlerweile eingeschränkten Möglichkeiten noch Daten liefern kann. Aber 2017 bekommt der Planetensucher im All Untersützung von TESS ((Transiting Exoplanet Survey Satellite) und 2024 dann von PLATO (Planetary Transits and Oscillations of Stars). Und vielleicht findet man dann auch Anzeichen von Leben bei einem der Exoplaneten.

Header-Bild: NASA/JPL-Caltech/R. Hurt