Auf rüche. im 21. Jahrhundert

Transkript

1 1 Auf rüche B im 21. Jahrhundert Wilhelm Seggewiß, Obs. Hoher List

2 Inhalt 2 I. Ein Traum wurde wahr - eine kurze Geschichte der Raumfahrt Persönliche Erfahrungen II. Das haben wir nun davon - Nutzen Zwischenspiel: Die ISS und die bemannte Raumfahrt III. Weiter geht's, immer weiter - Raumfahrt im 21. Jh. 12 wissenschaftliche Weltraumprogramme Literatur und Internetverweise N.B.: Die Internetverweise enthalten wichtige Hinweise auf Material für den Schulunterricht!

3 I. Ein Traum wurde wahr - eine kurze Geschichte der Raumfahrt 3 Keplers Somnium/Traum von der Mondfahrt, 1609 Zu Mond/Planeten/Sonne auch bei Cicero, Plutarch, Lukian, Dante, Ariost, Cyrano de Bergerac, Fontenelle, Voltaire und Jules Verne (1865) Ragetels und Raketen * Feuerwerkskörper seit spätem 14. Jahrhundert in Gebrauch * Theorie der Raketentechnik im frühen 20. Jh.: Konstantin Ziolkowski ( ) und Hermann Oberth ( ) - Raketenformel: Geschwindigkeit v(t) der Rakete zur Zeit t - Erste Kosm. Geschwindigkeit zum Echwenken in den Erdorbit v 1 = 7,9 km/s = km/h - Zweite Kosm. Geschwindigkeit zum Verlassen der Erdanziehung v 2 = 11,2 km/s = km/h Industrie und Militär entdecken die Raketen * 1942 Start der A4 (später V2) in Peenemünde auf Usedom * 1945 Die Amerikaner kassieren Peenemünde (mit Wernher von Braun).

4 Das Spiel des Kalten Krieges 4 1 : 0 für die Sowjetunion: Der Sputnik-Schock * 1957 Erster Orbitalflug SPUTNIK 1 (4. Okt. 57) * 1959 Erstes Verlassen des Erdschwerefeldes LUNIK 1 (2. Jan. 59) * 1961 Erster Weltraumflug durch Juri Gagarin in WOSTOK 1 (12. April 61) 1 : 1 oder doch 2 : 1 für die United States of America? * 1962 Erstes (brauchbares) Satellitenobservatorium OSO 1 Orbiting Solar Observatory (UV, Röntgen, Gammastr., Staub) * 1965 Erster (brauchbarer) Kommun.-Satellit INTELSAT 1 "Early Bird " * 1969 Erste Mondlandung durch Armstrong u. Aldrin Apollo 11 (20. Sept. 69) Erlaubte Einwürfe für die Wissenschaft * 1978 IUE, Internat. UV Explorer, bis 1996 (!) * 1985 Giotto-Sonde zum Kometen Halley (10. März 86) * 1989 HIPPARCOS, Daten von Sternen * 1990 HST, Hubble Space Telescope, 2,4 m Öffnung * 1990 ROSAT, deutscher Röntgen-Satellit (bis 1999)

5 Spiel kurz vor Abbruch? * 1998 Die ISS, die Internat. Space Station, als Projekt des Friedens und der Forschung nach dem Kalten Kries 5 Persönliche Erfahrungen (1) IUE, , (erfolgsr., längste) wiss. Mission * Satellit in geosynchronem Orbit (42000 km Höhe) über Atlantik * 35cm-Teleskop mit Echelle-Spektrograph, Ultraviolett: nm * NASA/ESA: je 16 bzw. 8 Stunden am Tag Beobachtungszeit * ESA-Bodenstation in Villafranca del Castillo bei Madrid

6 * Beobachtungsmodus: Individuelle Steuerung, Faszination der Beobachtung mit einem Weltraumteleskop 6 (2) HIPPARCOS-Astrometriesatellit für Sterne * Erste Idee ESA-Entscheidung Anträge Start Datenreduktion Ergebnisse Diskussionen der Ergebnisse >>> z.b. in Basel (1997) Beobachtungsmodus: 4 Jahre ohne Pause plus 4 Jahre Datenreduktion 30 Jahre von der Idee zu den Ergebnissen 13 Jahre Wartezeit für uns auf die Ergebnisse für unsere Sterne Nein, nein, der Maßstab des Universums wurde durch HIPPARCOS nicht verändert sondern bestätigt - wie der Verfasser nachweisen konnte!!!

7 (3) Hubble Space Telescope HST 7 Start 1990, Korr.-Le 1993 eingebaut, * 4. Service Mission im August 2008? * 11,6 to, Maße 13,1 x 4,3 m², 2,4m-T. * Bahn 590 km H., 95 min Umlauf Beobachtungsmodus: Service, * Zeitvergabe in Sekunden, * 6 Monate Datenschutz, dann im Web * Diskussion >>> z.b. in Tübingen (1984) über R136 in der Großen Magellanschen Wolke: Nicht 2000 Sonnenmassen sondern nach HST-Bild (rechts) ein Sternhaufen

8 II. Das haben wir nun davon - Nutzen 8 II.1 Nein, nicht die Teflonpfanne - Spinoffs/Abfallprodukte Neue Materialien: Schaumstoff ("Tempur"), Astronautenkost Memorylegierungen aus Titan, Kevlar, PET (?) Klettverschluß, Strichcode Solarzelle (Photovoltaik), Brennstoffzelle (2 H 2 + O 2 ) Miniaturisierung, Mikroprozessor, -elektronik II mal Hallotria Satellitenkommunikation Telefon, , Internet, z.b. über Intelsat 10 ( Telefonate synchron gegenüber 700 bei Early Bird) TV-Sender, z.b. Eutelsat-Firma mit 24 Satelliten, ca Sender Iridium mit 77 Satelliten, nach Bankrott neuer Anlauf Iridium-Flare am Gardasee, mehrere Sek. Helligkeit -5 mag (wie Venus)

9 9 II.3 Der LKW in der Sackgasse - Satellitennavigation Global Positioning System GPS des amerikanischen Militärs * 24 Satelliten, Höhe ca km, Neigung 55, Umlaufzeit 0,5 Sterntage * Positionsgenauigkeit auf der Erde i.a. ca. 10 m bis zu 5 m * Differential-GPS: Pos. 1-2 cm, Höhe 2-3 cm Eigenes GPS-System der ESA im Aufbau, genannt Galileo, Testsatellit Giove B am 26. April 2008 gestartet II.4 Ein Loch verschwindet - Erdbeobachtung Erkennen von Details und zugleich großräumigen Zusammenhängen, Erkennen von Veränderungen Ozonloch-Diskussion Ende der80erjahre Analyse Bodenbedeckung mit z.b. mit Landsat Landsat-Aufn. Afrikas

10 Umwelt: Klima, Ozean, Ökosystem - viele, viele Satelliten * Envisat, ESA März 2002, 7,9 to, 2,3 Mrd., u.a. mit deutschem Spektrometer Sciamachy * Der Satellit TerraSAR (deutsch und EADS), Juni 2007: Geodäsie, Geologie, Kartographie, Hydrologie, Meteorologie, Bodennutzung, Umweltschutz Meteorologie * Tiros, USA 1960, erster Wettersatellit * Meteosat-Serie der ESA seit 1977 (Nr. 9 am 11. April 2007 gestartet) Kartographie, z.b. * Google Earth (und Google Maps) kauft die Daten und stellt sie Web, angeblich jünger 3 Jahre alt, Auflösung zwischen 15 m und 15 cm 10 II.5 Schwarze Löcher im All - der Fortschritt für die Wissenschaft, siehe Kapitel I. u. III * Ungeheurer Aufschwung der Astrophysik durch (a) Eroberung des energiereichen Spetralbereichs (UV, Röntgen, γ) (b) Steigerung des Auflösungsvermögens (bis zur Beugungsgrenze) II.6 Ein Kilo für Dollar Diskussion um die bemannte Raumfahrt, siehe Zwischenspiel

11 Zwischenspiel: Die ISS und die bemannte Raumfahrt 11 Kosten der ISS bis 2010 über 115 Milliarden US$ * Gründe: "Preis für die bemannte Raumfahrt (Sicherheit, Lebensraum, Strahlenschutz für Astronauten) * dazu die Kosten für die Shuttlestarts: Shuttlestart 433 Mill. US$, 25 to Nutzlast US$ pro kg Ariane Mill. US$, 24 to Nutzlast US$ pro kg N.B.: Die Kosten des Shuttlefluges der 4. Servicemission des HST werden über 1 Milliarden US$ betragen. Heftigste Diskussion um die bemannte Raumfahrt: * Contra: Deutsche Physikal. Gesellschaft DPG, 1990 * Pro: Jesco v. Puttkamer, Raumfahrtorganisationen, der Bundesminister für Wirtschaft und Technologie (BMWi seit 2005, früher BMWF), Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

12 Raumfahrt-Budgets Werte in Milliarden, gerundet, zumeist noch für 2005, ESA 2006, Deutschland NASA 11,0 ESA 2,9 ESA-Staaten sonst 3,0 Frankreich 1,6 Japan 1,6 Rußland 1,3 Deutschland 1,0 Indien 0,8 Italien 0,7 China 0,5 * ESA-Anteile: F 29,3%, D 22,7%, I 14.2% - bei gesamt 17 Nationen, * ESA: Anteil für bemannte Raumfahrt ca. 16 % * NASA: Anteil für bemannte Raumfahrt ca. 55 % * China: Offizielle chinesische Aussage Kosten der ISS: Geschätzte Gesamtkosten (bis 2011) 100 Mrd. ESA-Selbstverpflichtungsbeitrag 8 Mrd. Deutschland 40% 3,2 Mrd. ) Kosten von Columbus: Vermutl. 1,35 Mrd. (D 51% <> 690 Mill. ) Kosten des Automated Transfer Vehicle ATV je Start: Mill. (D 40%? <> 132 Mill. ) 1. ATV: Jules Verne am 4. April 2008 in Kontakt mit der ISS HST-Kosten - Falls statt mit Shuttle unbemannt gestartet und gewartet, hätte man zusätzlich 3 (drei!) Nachbauten des HST starten können!

13 * Abgelegte Pro-Argumente (?) - Stärkung des nationalen Prestiges, - Terraformung von Planeten, Besiedlung des Mars, des Alls, Lösung des Problems der Überbevölkerung 13 * Pro-Argumente: "Trans-utilitäre Zwecksetzung zur Verwirklichung einer kosmischen Kultur... und eines Ethos der Transzendenz" (C.F. Gethmann) - Verwirklichung eines uralten Menschheitstraums! - Der Mensch will/muß fremde Welten erforschen. *Kontra-Argumente - Ist es der Menschheitstraum??? - Keinen Nutzen (außer selbstbezogenen), - unvernünftig hohe Ausgaben zu Kosten der übrigen Forschung * Streben nach nationalem Prestige ist keineswegs ausgestorben: - Vorschlag des DLR für eine nationale Mondmission - Das Projekt soll Deutschland als europ. Führungsnation ausweisen! - Laufzeit bis 2016, Kosten ca. 350 Mill.

14 Programme des Endspiels der bemannten Raumfahrt 14 * Die International Space Station ISS: vermutlich in 10 Jahren Weltraumschrott * ESA-Flug zum Mars (AURORA-Mission) /2008 Beschlüsse des ESA-Council ExoMars - Suche nach Lebensspuren /14 Mars sample return (Wunsch: 500 g) Bemannt zum Mond Autonome Mission zum Mars /33 Erste bemannte Landung auf dem Mars * NASA-Flug zum Mars Ankündigung durch den NASA-Planungschef - bis 2031 Zusammenbau eines 400t-Raumschiffes in Erdnähe (4 Stars der ARES 5-Rakete mit je 125t Nutzlast vorgesehen) Start des Raumschiffes zum Mars (Flugzeit 6-7 Monate, Aufenthalt 16 Monate; größtes Problem: 0,4 g)

15 III. Weiter geht's, immer weiter - Raumfahrt im 21. Jh. 15 Übersicht über 12 wissenschaftliche Weltraumprojekte Nr Name Start Org. Ziel Vorläufer Bemerkungen. 1 GAIA 2011 ESA Astrometrie Hipparcos, DIVA* 100 Mrd Sterne 2 DAWN* 2007 NASA Kleine Planeten Giotto Ceres, Vesta 3 BepiColombo 2013 ESA Merkur Cassini- Huygens + Japan 4 AURORA 2033 ESA Mars, bemannt alle Mars-Miss. viele Einzelmiss. 5 Darwin 2015 ESA Exoplaneten Corot 3+1 Sat., 3-4m Tel. 6 Herschel* 2008 ESA Infrarot Spitzer, SOFIA 3,5m-IR-Tel. 7 JWST* 2013 NASA Infrarot Hubble, Herschel 6,5m-IR-Tel. 8 erosita 2011 D Röntgen ROSAT, XMM 7x36cm, 54fach 9 GLAST 2008 NASA Gamma GRO, INTEGRAL 10 Planck* 2008 ESA CMB* COBE, WMAP 11 Pamela* 2006 Italien Dunkle Materie R, D 12 LISA 2015 N+ESA Grav.-Wellen Sat., 5 Mio km * CMB, Cosmic Microwave Background, 3K-Hintergrundstrahlung * DAWN, seit unterwegs zu Ceres und Vesta, weitere Vorläufer z.b. NEAR-Shoemaker (2001, Eros) und Hayabusa (2005, Itokawa) * DIVA, hätte 2004 gestartet werden können * Herschel, Planck, Gemeamer Start * JWST, James Webb Space Telescope * Pamela, seit im Orbit auf russ. Satelliten

16 16 (1) GAIA statt DIVA (ESA) Fortsetzung der Hipparcos-Mission Entfernung und Bewegung der Sterne Ziele: >> Entfernungsskala im Kosmos, >> Struktur und Dynamik der Galaxis Eine Mission, der ISS geopfert: Deutscher Satellit DIVA (Heidelberg, Potsdam, Univ. Bonn mit Obs. Hoher List + Industrie u. DLR): * 35 Mio. Sterne für 60 Mio. * Start vorgesehen 2004, Ergebnisse erwartet 2008 Stattdessen nun GAIA der ESA: * Start vermutlich 2011, Ergebnisse 2017, Kosten ca. 700 Mio., * 1 Mrd. Sterne mit Position, Entfernung, Bewegung, Helligkeit: * Genauigkeit (von Pos./Entf./Eigenbew.) bis zur Sternhelligkeit 15 mag: 25 µas = 0," (25 Mikrobogensekunden) oder 0,12 mm (Haaresbreite) in 1000 km

17 (2) - (4) DAWN, BepiColombo, AURORA 17 Missionen zur Erkundung des Planetensystems: * Planeten, Kleine Planeten, Monde, Kometen, Interplanetare Materie Ziele: * Aufbau und chemische Zusammensetzung der Himmelskörper, * Entstehung und Entwicklung sowie * Frühgeschichte des Sonnensystems, * Geschichte des Lebens auf der Erde und??? Mars??? Berühmte Beispiele: Voyager I und II (1979 bei Jupiter), Giotto (1986 bei Komet Halley), Mars Pathfinder (1996), Cassini-Huygens (2004/05 bei Saturn und Titan), siehe folg. Seite Zuviel des Guten? Zuviel der Wiederholungen? Wichtige Missionen: * DAWN, NASA-Mission zu den Asteroiden Ceres und Vesta * BepiColombo, ESA-Mission zum Merkur * AURORA, ESA +?, Bemannte Flüge zum Mars bis etwa 2033

18 18 Beispiele: Weltraumsonden zu Asteroiden (Kleinplaneten) und Kometen NEAR-Shoemaker Hayabusa auf Deep Impact auf Komet bei 433 Eros, Itokawa, Tempel 1, (Japan. Mission)

19 (5) Darwin (ESA) 19 ESA-Mission zur Suche nach erdähnlichen Exoplaneten * Warum dieses sehr schwierige Unterfangen? Frage: Sind wir allein im Kosmos? Technik: Beobachtung von "Bedeckungen des Zentralsterns durch den Planeten * "Flotte" von IR-Teleskopen, 3-4m Durchmesser * Verzögertes Zusammenführen der Strahlung mit Nullung des Sternenlichts * Infrarot-Strahlung: - Besserer Kontrast, - Spektroskop. Suche nach Wasser, Methan, Sauerstoff, Kohlendioxid im IR * Orbit im Lagrange-Punkt L2 1,5 Mio. km von Erde (siehe Schülerübung bei Wissenschaft in die Schulen im Internetverz.)

20 (6)-(7) Herschel und James Webb Space Tel. (JWST) 20 Next Generation Space Telescopes - in competition(?) * ESA: Herschel mit 3,5m-Vollspiegel, IR, Start August 2008 * NASA: JWST mit 6,5m-18-Segment-Spiegel, IR, Start Juni 2013 Ziel: Ran an den Urknall! (siehe Vortrag H. Siebel) * Entstehung der ersten Sterne und Galaxien, Chemie JWST Herschel

21 Beispiel: Protogalaxien im Hubble Deep Field (HDF) HDF-Bild zusammengesetzt aus 342 Aufn. in UBVRI (UV-Blau-Rot-IR), aufgenommen Dez mit der Weitwinkelkamera (WFPC2) des Hubble Space Telescope HST; Grenzgröße ca. 30 mag; in Ursa Major, Blick zu 1 Milliarden Jahre nach dem Urknall: Erste Zeichen von Galaxienbildung (siehe Vortrag H. Siebel) 21

22 Messungen im Infraroten 22 * Maximum der Strahlung der Erde - z.b. wichtig bei Suche nach erdähnl. Exoplaneten (Darwin-Mission!) * Geringere Absorption durch Interstellaren Staub - z.b. beim Blick in die staubumhüllten Zentren von Galaxien * Lage des Maximums der Strahlung bei großer Rotverschiebung - z.b. beim Blick in große Entfernungen, i.e. in die ferne Vergangenheit

23 (8) erosita (MPI für Extraterrestrische Physik MPE, Garching) 23 Beobachtung der kosmischen Röntgenstrahlung (bis 10 kev): * heißes Gas in den Zentren der Galaxienhaufen (siehe Vortrag H. Siebel) >> Verteilung der Galaxienhaufen >> früher - heute der Röntgenastronomie mit ROSAT ( , s. S. 4), Zusammenspiel von: Theoretiker - Beobachter - Techniker Reflexion nur bei "streifendem" Einfall: Wolter-Teleskop, 4-fach geschachtelt, (hier der Chandra-Satellit der NASA) erosita: 7 Teleskope (je 35cm Ø), je 54-fach geschachtelt

24 (9) GLAST (NASA, beteiligt auch MPE) 24 Beobachtung der kosmischen Gammastrahlung (10 kev GeV): * Supernona-Überreste, Pulsare Schwarze Löcher, * Aktive galaktische Kerne, * Flares von Sonne, Sternen, * Gamma Ray Bursts Burst 23. Januar, Beob. 8. Febr. 1999, Spitzenleistung Watt, entsprechend 2,5 x Sonnen Modelle von Gamma Ray Bursters

25 (10) Planck (ESA, Software vom MPI für Astrophysik, Garching) 25 Beobachtung der Kosmischen Hintergrundstrahlung von 2,725 K (siehe Vortrag H. Siebel) 1948, Vorhersage des Cosmic Microwave Background (CMB) * 1964, zufällige Entdeckung durch Arno Penzias und Robert Wilson (Nobelpreis 1978) Nachglühen des Big Bang nach ca Jahren mit ca K - jetzt aber nur noch T = 3 K (Rotverschiebung z = 1000) Suche nach der Fetruktur mit den Auflösungen T/T = 10-6 und räumlich 5 Bogenminuten Abbb. oben: Planck vor Bild des CMB (WMAP), unten: Berechnete Strukturverteilung bei unterschiedlichen Materiedichten im Kosmos

26 26 (11) Pamela (Italien, Univ. Siegen, russ. Satellit) Start 2006 von russ. Weltraumbahnhof Baikonur in Kasachstan Beobachtung der energiereichen kosmischen Strahlung * Suche nach Antimaterie in der Höhenstrahlung, Erklärung ihrer Entstehung und Beschleunigung Magnetspektrometer-Messung kosmischer Teilchen/Antiteilchen * Flüsse und Energiespektren, * Positronen/Elektronen, 50 MeV bis 2 TeV, * Antiprotonen/Protonen, 100 MeV bis 190 GeV, * Antihelium/Helium (bis herunter zum Verhältnis 10-8 ) Parallelexperiment auf der ISS: AMS-02, 2009 oder später Begleitende Experimente: Gammastrahlungsanteil der kosm. Str., * aus dem Orbit: GLAST (siehe vorn), * auf dem Boden: H.E.S.S. u.v.a.m.

27 ( 12) LISA (ESA, NASA, Univ. Hannover) Nachweis von Gravitationswellen: Längenänderungen von Gravitation: Die gekrümmte Raumzeit Gravitationswellen entstehen, wenn sich Massen beschleunigt bewegen. * Beispiel: Erde auf ihrer Bahn: 300 Watt * Starke Quellen: Enge Doppelsterne, Supernovae, verschmelzende Doppelsterne (b. Neutronensterne, Schwarze Löcher) Physikalische Daten: * Geschwindigkeit der Ausbreitung c, * Frequenz: 1 Hz bis unter 10-4 Hz, * Wellenlänge folglich km bis über 3 Mrd. km (20 Astron. Einh.), * transversale Längenänderung: l/l bis Nachweisversuche mit Laserstrahlen: * Geo600, Exp. der Univ. Hannover, ( Armlänge 600 m, also l = 6 x m (ein halbes Proton!), * LISA (folg. Seite) mit 5 Mio. km, also l = 5 x 10-9 m = 5 nm Abb. oben: Wellen von rotier. Pulsaren, unten: Änderung eines Kreises (Bewegung nur in der Präsentation) 27

28 LISA (Laser Interferometer Space Antenna) 28 Drei Satelliten (s.u.), folgend der Erde (20 ), Abstand je 5 Mio. km LISA-Satellit im variablen Gravitationsfeld

29 Literatur und Internetverweise 29 Eine große Zahl von Büchern über die Raumfahrt (ca. 150) kann z.b. über die Internetbuchhändler abgefragt werden - ich selbst habe keines benutzt! Unterrichtsmaterial zur Raumfahrt gibt es über die Internetseite "Wissenschaft in die Schulen", z.b. über Mission Herschel, Lagrange-Punkte, Voyager (und viel Physik, Astrophysik) Gut aufbereitetes (astro-)physikal. Material von DPG und BBF bei Über die Missionen geben die Raumfahrtorganisationen Auskunft, z.b. * NASA (National Aeronautics and Space Administration), mit einer Reihe von Instituten, z.b. - GSFC (Goddard Space Fligt Center), - JPL (Jet Propulsion Lab., CalTech), ww.jpl.nasa.gov N.B.: Auch die NASA und ihre Institue haben Unterrichtsmaterial ("Education", "Multimedia"). * ESA (Space Agency), und /esacp/germany.html (deutsch), Missionen über ("Missions") * DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt), Missionen: und /tabid-2105 N.B: Schulinformation Raumfahrt der DLR:

30 30 NASA-Seite des Hubble-Weltraumteleskops HST * Tägl. Bild des HST Projekte des Max-Planck-Instituts für Extraterrestrische Physik MPE, Garching: Berichte über Raumfahrtergebnisse auch vom MPI für Astrophysik MPA, Garching: N.B.: MPE und MPE haben viel Material ("Öffentlichkeitsarbeit"). Das Internetlexikon WIKIPEDA gibt umfangreiche Informationen über * Weltraum, Raumfahrt, Geschichte, Raketentechnik, Orbits, kosm. Geschwindigkeiten, Weltraumorganisationen, Satelliten, Sonden etc. etc. * Ferner gibt es nahezu vollständige Listen von bemannten u. unbemannten Missionen, Kommunikations-Satelliten, Raketentypen etc. * Nahezu jede Mission hat auch einen eigenen Artikel (IUE, Hubble etc.)