Überblick

Lasermaßstab bis zum Mond

Laufzeitmessungen erlauben es, das Erde-Mond-System zu vermessen und Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie zu testen.

  • Jürgen Müller, Liliane Biskupek, Franz Hofmann und Enrico Mai
  • 07 / 2015 Seite: 35

Bei der ersten bemannten Mondmission Apollo 11 hatten Neil Armstrong und Buzz Aldrin auch einen Retro-Reflektor im Gepäck, den sie im Juli 1969 auf der Mondoberfläche absetzten. Damit begann ein neues Zeitalter bei der Erforschung der Erde-Mond-Dynamik und für hochgenaue Tests von Einsteins Relativitätstheorie. Die Reflektoren dreier Apollo- sowie zweier unbemannter sowjetischer Mondmissionen bilden ein immer noch funktionierendes Netzwerk für Laufzeitmessungen mit Laserpulsen von der Erde.

Das Prinzip klingt einfach: Man schickt einen Laserstrahl von der Erde zu einem Reflektor auf dem Mond und bestimmt anhand der gemessenen Laufzeit die Entfernung zum Erdtrabanten. In der Praxis ist dieses so genannte Lunar Laser Ranging (LLR) allerdings eine sehr anspruchsvolle Methode, deren Messgenauigkeit sich von 1969 bis heute vom Meter- zum Millimeter-Bereich hin verbessert hat. LLR ist das geodätische Weltraumverfahren mit der längs­ten Datenreihe. Die Auswertung der gesammelten Messdaten ermöglicht es, Bahn und Orientierung des Mondes gegenüber früheren astronomischen bzw. astrometrischen Beobachtungen signifikant besser zu bestimmen. Dank der langen Datenreihe, des großen Abstands von im Mittel 384 000 Kilometer und den involvierten bewegten großen Massen stellt das Erde-Mond-System außerdem ein natürliches Labor dar, um die Einsteinsche Relativitätstheorie zu überprüfen.

Die Allgemeine Relativitätstheorie (ART), mit der Albert Einstein vor hundert Jahren das physikalische Verständnis von Raum und Zeit auf eine völlig neue Basis gestellt hat, bildet die Grundlage für die Datenauswertung aller geodätischer Weltraumverfahren [1], zu denen neben LLR weitere Methoden gehören: Bei der Interferometrie mit langen Basislinien (Very Long Baseline Interferometry, VLBI) empfangen mehrere Teleskope auf der Erde die Signale ferner Radioquellen. Durch die Auswertung von Zeitdifferenzen lassen sich einerseits Parameter der Erdorientierung und Stationskoordinaten im globalen terrestrischen Referenzsystem mit Millimeter-Genauigkeit bestimmen und andererseits die Positionen der Radioquellen als raumfeste Referenz. Die Auswertung der Signale von globalen Navigationssatelliten-Systemen (GNSS), von denen GPS am bekanntesten ist, basiert auf einem Phasendifferenzmessverfahren. Aus der Analyse der Daten lassen sich auch Erdrotationsgrößen, wie Polbewegung und Tageslängenschwankungen, ableiten. Beim „Satellite Laser Ranging“ (SLR) misst man die Laufzeiten von Laserpulsen zu den Satelliten und zurück millimetergenau, um daraus Satellitenbahnen sowie Stationsko­ordinaten, Erdrotationsgrößen und Schwerefeldparameter zu bestimmen...

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