Kannst du bestimmen, wie spät es auf dem Mond ist?: Die Wissenschaft erforscht, wie man das herausfindet

Experten herum die Welt Ich denke, das nächste Jahrzehnt wird eine Renaissance erleben Monderkundung, darunter Dutzende von Missionen und Plänen zur Errichtung dauerhafter Stützpunkte auf unserem natürlichen Satelliten. Das Projekt bringt eine Vielzahl von Herausforderungen mit sich. Darunter ist eine subtile, aber grundlegende Frage, die Metrologen auf der ganzen Welt zu beantworten versuchen: Wie spät ist es auf dem Mond?

sagt Cheryl Gramling, eine Luft- und Raumfahrtingenieurin, die das Team für Position, Navigation und Zeitmessung im Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, leitet.

Die Luna Es gibt gerade keine Freizeit. Jede Mondmission verwendet ihre eigene Zeitskala, die von ihren Kontrolleuren auf der Erde mit der koordinierten Weltzeit (UTC) verbunden ist, dem Standard, nach dem die Uhren des Planeten eingestellt sind. Aber diese Methode ist relativ ungenau, und Mondsonden synchronisieren die Zeit nicht miteinander. Der Ansatz funktioniert, wenn der Mond einige unabhängige Missionen durchführt, aber es kann ein Problem sein, wenn viele Schiffe zusammenarbeiten. Weltraumbehörden müssen sie mithilfe von Satellitennavigation verfolgen, die auf präzise Zeitsignale angewiesen ist.

Es ist unklar, welche Form die universelle Mondzeit annehmen wird. Die Uhren der Erde und des Mondes laufen aufgrund der unterschiedlichen Gravitationsfelder der beiden Körper naturgemäß unterschiedlich schnell. Die offizielle Mondzeit basiert auf einem Uhrensystem, das für die Synchronisierung mit UTC oder Erdzeit ausgelegt ist.

Vertreter von Raumfahrtagenturen und akademischen Einrichtungen aus der ganzen Welt trafen sich im November 2022 im Weltraumforschungs- und Technologiezentrum der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) in Noordwijk, Niederlande, um mit der Entwicklung von Empfehlungen zur Definition der Mondzeit zu beginnen.

„Entscheidungen sollten bald getroffen werden. Wenn keine offizielle Mondzeit festgelegt wird, werden Raumfahrtagenturen und private Unternehmen ihre eigenen Lösungen finden. Deshalb wollen wir jetzt warnen, dass wir gemeinsam an einer gemeinsamen Entscheidung arbeiten. Wenn keine offizielle Mondzeit festgelegt wird, werden Raumfahrtagenturen und private Unternehmen ihre eigenen Lösungen finden. Deshalb wollen wir jetzt eine Warnung starten und sagen, dass wir zusammenarbeiten, um eine gemeinsame Entscheidung zu treffen“, sagte Patrizia Tavella, die die Zeitabteilung beim Internationalen Büro für Maß und Gewicht in Sèvres, Frankreich, leitet.

Die wichtigste Voraussetzung für die Mondzeit ergibt sich aus Plänen, ein dediziertes globales Satellitennavigationssystem (GNSS) für den Mond zu entwickeln, ebenso wie GPS und andere Satellitennavigationsnetze eine präzise Standortverfolgung auf dem Mond ermöglichen. Weltraumagenturen planen, dieses Mond-GNSS ab 2030 zu installieren. Die ESA hat das Satellitennavigationsprojekt Moonlight auf ihrem Ministertreffen in Paris vom 22. bis 23. November 2022 genehmigt. , letzten Januar.

Bisher haben Missionen zum Mond Funksignale zu großen Antennen auf der Erde verwendet, um ihre Standorte zu festgelegten Zeiten zu finden. Aber mit Dutzenden von geplanten Missionen „sind nicht genug Ressourcen vorhanden, um alle abzudecken“, sagte Joel Parker, ein Ingenieur, der am Goddard Center an der Mondnavigation arbeitet.

In einer ersten Phase werden ESA und NASA ab 2024 mit schwachen Satellitennavigationssignalen von der Erde auf dem Mond empfangene Positionen testen. Als nächstes planen Mond-GNSS-Projekte, dedizierte Satelliten rund um den Mond zu platzieren, jeder mit seiner eigenen Atomuhr. Ein Empfänger auf der Mondoberfläche verwendet beispielsweise die Zeit, die es dauert, bis Signale von einem Satelliten ankommen, um Ihre Position zu triangulieren. „Die ESA plant eine erste Konstellation von vier Raumfahrzeugen, die die Navigation zum Südpol des Mondes umfassen wird, der den größten Teil des Mondwassers enthält und ein wichtiges Ziel für die Erforschung ist“, sagte Jörg Hahn, ein Ingenieur, der am Moonlight-Programm der ESA arbeitet.

„Mondexpeditionen werden auch eine offizielle Mondzeit benötigen, um sich zu koordinieren und zu kommunizieren. All dies muss auf eine Art Zeitstempel zurückgehen, sonst gibt es Verwirrung und die Dinge funktionieren nicht zusammen. Eine weitere offene Frage ist, ob Astronauten überall auf dem Mond die universelle Mondzeit verwenden werden. Obwohl die Mondzeit immer noch die offizielle Zeitskala ist, ziehen es ihre Benutzer möglicherweise vor, sie in Zeitzonen zu verschieben, die an den Sonnenstand am Himmel gebunden sind, genau wie auf der Erde. Das ist weniger eine Frage für Metrologen als vielmehr eine Frage der Tradition. „Wenn jemand tatsächlich auf dem Mond lebt, halte ich das für sinnvoll“, fügte der Experte hinzu.

Die Definition der Mondzeit ist nicht einfach. Obwohl die zweite Definition überall gleich ist, schreibt die spezielle Relativitätstheorie vor, dass Uhren in starken Gravitationsfeldern langsamer laufen sollten. Die Anziehungskraft des Mondes ist schwächer als die der Erde, was bedeutet, dass für einen Beobachter auf der Erde die Uhr des Mondes schneller läuft als die der Erde. Gramling schätzt, dass eine Monduhr innerhalb von 24 Stunden um etwa 56 Mikrosekunden vorrückt. Im Vergleich zu einer auf der Erde ändert sich die Geschwindigkeit einer Uhr je nach Position auf der Mondoberfläche aufgrund der Mondrotation geringfügig, sagt Davella. „Es ist ein Paradies für Relativisten, weil man so viele Dinge berücksichtigen muss“, fügte er hinzu.

Das Definieren eines Mondstandards, mit dem alle Uhren verglichen werden, beinhaltet die Einrichtung von mindestens drei Hauptuhren, die den natürlichen Rhythmus des Mondes darstellen und deren Ausgabe von einem Algorithmus kombiniert wird, um eine genauere „virtuelle“ Uhr zu erzeugen. Was passiert, hängt von der Option ab, die der Metrologe wählt. Sie können entscheiden, die Mondzeit auf UTC zu stützen. In diesem Fall wird diese virtuelle Mondzeit ständig mit der terrestrischen UTC synchronisiert. Zwischen den Aufzeichnungen halten Mondhauptuhren die Zeit bis zur nächsten Synchronisation. Dies hat den Vorteil, dass es für Benutzer auf der Erde einfach ist, damit zu interagieren.

„Die Alternative besteht darin, die Ausgabe einer Reihe von Mond-Atomuhren als eigene, kontinuierliche Zeit des Mondes zu verwenden und ihre Beziehung zur UTC herauszufinden. Auf diese Weise werden die Uhren auf dem Mond übereinstimmen, selbst wenn die Verbindung zur Erde unterbrochen wird miteinander und ermöglichen eine sichere Navigation und Kommunikation. Das Festlegen einer unabhängigen Zeit ist das, was die Weltraumagenturen letztendlich auf dem Mars anstreben. „Es ist ein Modell, das auch für entfernte Planeten funktioniert. Die Übertragung von UTC wäre komplizierter als der Mond“, fügte Gramling hinzu.

In dieser Situation können Tage auf dem Mond anders definiert werden als Tage auf der Erde, wobei die durchschnittliche Zeit zwischen Sonnenmittag und Sonnenmittag 29,5 Erdtage beträgt. Erdtage sind für Astronauten immer kritisch, da Menschen in einem etwa 24-Stunden-Zyklus schlafen müssen. Aber die Definition ist etwas, auf das sich Metrologen einigen müssen. Sie mussten entscheiden, wo sie die Hauptuhren auf dem Mond platzieren sollten. Wie bei der Erde kann die Höhe der Geräte die Tick-Geschwindigkeit beeinflussen.

„Die Uhren könnten sich im Mondorbit oder auf der Oberfläche befinden. Darüber diskutieren wir derzeit mit unseren Kollegen bei der NASA“, sagte Hahn.

Über den Rat der Nationalen Weltraumagenturen und das Internationale GNSS-Komitee der Vereinten Nationen erwägen Weltraumagenturen auch andere notwendige Standards, wie Mondgeländekarten und Koordinatensysteme, die für die Navigation verwendet werden sollen. Damit Systeme aus verschiedenen Ländern interoperabel sind, müssen Referenzsysteme international vereinbart werden, sagt Gramling.

Mit Hilfe der ESA entwickelt die NASA LunaNet, ein Framework, für das sie auf internationale Anerkennung hofft. LunaNet besteht aus einer Reihe von Regeln, die es allen Computer-, Kommunikations- und Satellitennavigationssystemen auf dem Mond ermöglichen, ein Internet-ähnliches Netzwerk zu bilden, unabhängig von der Nation der Installation. Und die Einstellung der Mondzeit ist Teil eines viel größeren Bildes.

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