Ich suchte nach der ExoMars-Sonde und fand die Wahrheit über Weltraumautobahnen

Die ExoMars-Sonde der Europäischen Weltraumbehörde kreuzt derzeit acht Tage lang auf ihrer Himmelsstraße die siebenmonatige Reise zum Roten Planeten. Wir wissen, dass es am 19. Oktober auf dem Mars landen wird, aber wo wird es in einem Monat sein? Oder am vierten Juli? Die Lage schien mir berechenbar.Angesichts der Beschleunigungszeit des Raumfahrzeugs, der Reisegeschwindigkeit und der Entfernung vom Mars beim Start dachte ich, ich könnte ein paar Zahlen knacken. Das war - ich weiß jetzt - reine Hybris. Raketentechnik ist aus gutem Grund ein kultureller Prüfstein, sogar ein Klischee.

Ich fand das heraus, als ich versuchte, ein Raumfahrzeug zu finden.

Weltraumautobahnen mögen nicht terrestrische Straßen, erklärte Dr. Michael Khan, ein Experte für himmlische Mechaniker des ESA-Büros für Missionsanalysen, als ich ihn nach seinem Rat gefragt habe, wie er ExoMars finden sollte. Wenn es eine Sache gibt, die zu beachten ist, sagt er, dann ist es so: Es gibt keine geraden Linien im Raum. In einer schön geschriebenen E-Mail erklärte er, warum wir alle lernen müssen, auf einer Kurve zu fahren - und warum die Zukunft der Raumfahrt unendlich viel komplizierter ist, als wir denken.

Anstatt zu versuchen, seine Erklärung zusammenzufassen, füge ich sie unten ein, weil sie schön ist.

Ich fürchte, die Himmelsmechanik, also die Wissenschaft, die der Berechnung der Bahnen aller Bahnen im Weltraum (natürlich oder künstlich) zugrunde liegt, funktioniert etwas anders, als Sie annehmen.

Bei einem interplanetarischen Transfer von der Erde zu einem anderen Planeten (in diesem Fall Mars) geht es nicht darum, mit einer bestimmten Reisegeschwindigkeit auf einer geraden Linie zu fliegen, wie dies ein Flugzeug auf der Erde tun würde, oder einem Schiff, das mit dem Ozean kreuzt einige Richtungsänderungen an gegebenen Wegpunkten. So funktioniert das im Sonnensystem nicht. Da es nicht so funktioniert, glaube ich nicht, dass es einfach (oder sogar möglich) ist, einfache, grobe und fertige Berechnungen anzustellen, wo ExoMars sich wann befinden wird.

Grundsätzlich waren die Naturgesetze, die den Flug eines Objekts durch den Weltraum regeln, von Isaac Newton und Johannes Kepler vor Jahrhunderten. Ich werde es nur ein bisschen vereinfachen: Erde und Mars bewegen sich auf mehr oder weniger kreisförmigen Bahnen (für Mars ist das nicht ganz richtig, aber für Anfänger). Jetzt haben wir die Umlaufbahn der Erde, einen weiten Kreis um die Sonne, und die Marsumlaufbahn, einen noch größeren Kreis, in dem sich auch die Sonne befindet.

Die von ExoMars folgende Übertragungsbahn ist eine Ellipse. Wo diese Ellipse der Sonne am nächsten ist, streift sie die Erdbahn. Wo es am weitesten vom U-Boot entfernt ist, streift es die Mars-Umlaufbahn. Das Raumschiff fliegt von diesem tiefsten Punkt zum weitesten Punkt. Sie erreichte die Ellipse durch den enormen Schub, den die Proton M-Rakete, mit der ExoMars gestartet wurde, ausstieß, so hoch und schnell, dass das Raumschiff tatsächlich die Erdschwerkraft mit der richtigen Geschwindigkeit und Richtung verlässt, um die erforderliche Transferellipse zu erreichen zum Mars. An diesem Punkt (Flucht aus der Erde) war ExoMars um einiges schneller als die Erde auf ihrer Umlaufbahn um die Sonne.

Bei dieser Transferellipse nimmt die Geschwindigkeit von ExoMars kontinuierlich ab. Um zu verstehen, warum dies so ist, stellen Sie sich ein Uhrpendel vor. Wenn das Pendel nach oben schwingt, bewegt es sich immer langsamer. Das liegt daran, dass es zwei Arten von Energie gibt: potentielle Energie (= Höhenenergie) und kinetische Energie (= Bewegungsenergie). Die Umlaufbahn des Raumfahrzeugs hat eine bestimmte Gesamtenergie. Dies wurde vom Launcher vermittelt. Diese Energie steigt nicht an. Es ist wie Taschengeld oder ein Gehalt, wir müssen es nur noch halten.

Wenn die Rakete nicht genug Energie gegeben hätte, hätte der ExoMars-Orbit den Mars-Orbit nicht erreicht. Wenn dagegen die Rakete zu viel Energie übertragen hätte, wäre die Umlaufbahn des Raumfahrzeugs weit über die Umlaufbahn des Mars hinausgegangen. Wir wollten (und bekamen) genau die richtige Menge an Energie, nicht zu wenig, aber nicht zu viel. Dies unterscheidet sich vom Taschengeld oder einem Gehalt, bei dem zu viel definitiv besser ist als zu wenig.

Beim elliptischen Transfer steigt das Raumfahrzeug nun von der Sonne in Richtung Marsorbit, und die Sonne hält sich mit ihrer Schwerkraft an dem Raumfahrzeug fest. Während ExoMars steigt, steigt seine Höhenenergie. Daher muss die Bewegungsenergie abnehmen. Die Gesamtenergie bleibt gleich. Auf dem Flug zum Mars wird ExoMars also immer langsamer.

Um die Übertragung zu berechnen, muss man unbedingt die Anziehungskraft der Schwerkraft durch die Sonne berücksichtigen. Es gibt auch andere Effekte, wie den sehr geringen Lichtdruck auf den Solarfeldern und die Schwerkraft der Planeten im Sonnensystem. Natürlich müssen wir bei jedem Einsatz der Raketentriebwerke an Bord von ExoMars die Umlaufbahn ändern. All dies hat jedoch eine viel geringere Wirkung als die solare Schwerkraft.

Im Wesentlichen verwenden wir einen Computer, um die Flugbahn des Raumfahrzeugs zu berechnen, wobei alle Faktoren berücksichtigt werden, die die Flugbahn beeinflussen, und wir können auch messen, wo sich das Raumfahrzeug befindet und wie schnell es sich von der Zeit bewegt, die die Signale benötigen, um von der Erde zur Erde zu gelangen Raumfahrzeug und zurück und die Frequenz des Signals ändert sich im Laufe der Zeit.

In einer späteren E-Mail fügte er hinzu:

Das Wichtigste, das Sie sehen, ist, dass die ExoMars-Flugbahn wie alle Flugbahnen im Raum deutlich gekrümmt ist. Es gibt keine geraden Linien im Raum. Sobald Sie Körper haben, die Masse haben, wie Sterne und Planeten, haben Sie die Schwerkraft und in Gegenwart der Schwerkraft wird alles auf Kurven fliegen. Kurven sind natürlich, gerade Linien nicht. Die zurückgelegte Strecke, die der gekrümmten roten Linie von der Erde zum Mars folgt, beträgt etwa 500 Millionen Kilometer, um diese Perspektive zu erhalten. Eine halbe Milliarde Kilometer.