Das einfachste und erfolgreichste Experiment an Bord von Apollo 11

Wie der Mondlaser-Retroreflektor, der 50 Jahre später immer noch in Betrieb war, schließlich zum Mond gelangte

Als Neil Armstrong vor 50 Jahren einen kleinen Schritt auf die Mondoberfläche machte, war dieser Erfolg ein Triumph für die amerikanische Technologie und verschaffte den USA im erbittert umkämpften Kalten Krieg das Recht, sich gegenüber der rivalisierenden Sowjetunion durchzusetzen. Aber der Weltraumwettlauf führte auch zu einem internen Wettlauf der Wissenschaft, um zu bestimmen, welche Experimente an Bord der ersten Mission zur Landung von Menschen auf einer anderen Welt stattfinden würden.

Einer der Gewinner war ein Gerät, das es Wissenschaftlern ermöglichte, die Entfernung zwischen unserem Planeten und seinem Satelliten mit beispielloser Präzision zu messen – ein Experiment, das nicht nur für die Prüfung der Allgemeinen Relativitätstheorie und das Verständnis der subtilen Schwankungen des Mondes, wenn er sich um seine eigene Achse dreht, von entscheidender Bedeutung war, sondern auch war im Vergleich zur immensen Komplexität der Gesamtmission auch erstaunlich einfach.

Im Jahr 1963 trat James Faller dem Joint Institute for Laboratory Astrophysics (JILA) des National Bureau of Standards und der University of Colorado, Boulder bei. Als Doktorand an der Princeton University Ende der 1950er Jahre hatte er einen Artikel mit dem Titel „A Proposed Lunar Package: A Corner Reflector on the Moon“ geschrieben, in dem er sich einen langlebigen, leichten Reflektor mit einem Gewicht von nur zwei bis drei Pfund vorstellte, der auf dem Mond eingesetzt werden sollte Mond. Ein Lichtstrahl von der Erde würde auf den Reflektor gerichtet; Das Instrument würde den Laser erkennen und das Licht zur Erde zurückreflektieren. Die Zeit, die das Licht für den Hin- und Rückweg von der Erde zum Mond und zurück benötigte, würde, schrieb er, „eine präzise Messung des Abstands Erde-Mond“ ermöglichen.

Er übergab seine Forschungsarbeit an seinen Professor Robert Henry Dicke, einen Physiker, der wichtige Beiträge auf den Gebieten Astrophysik, Atomphysik und Schwerkraft geleistet hatte. Als er seine Arbeit abgab, schrieb Faller ganz oben handschriftlich: „Professor Dicke, würden Sie sehen, ob das irgendeinen Sinn ergibt?“

Weniger als ein Jahrzehnt später würde die Welt wissen, wie aufschlussreich Fallers Vorschlag gewesen war. Zusammen mit den JILA-Kollegen Jan Hall und Peter Bender gründete er ein Team zur Mondortung, um die Machbarkeit der Anbringung eines Retroreflektors auf dem Mond zu untersuchen. Es gab keine Garantie dafür, dass das Experiment tatsächlich durchgeführt werden würde: Andere Gruppen entwickelten konkurrierende Vorschläge in der Hoffnung, für Apollos historische Reise ausgewählt zu werden.

Aber Glück – zusammen mit den strengen Anforderungen der NASA an Größe, Gewicht, Geschwindigkeit und Einfachheit – verschaffte dem Reflektor einen Vorteil. Beamte der NASA gingen davon aus, dass bei Apollo 11 nach der Landung ein hohes Risiko für einen Abbruch bestand, sodass jedes Experiment innerhalb von 10 Minuten aufgebaut und durchgeführt werden musste. Faller erinnerte sich: „Die Astronauten hatten nur begrenzte Zeit auf der Mondoberfläche, um die Anlage in Richtung Erde zu positionieren. Mit anderen Worten: Die Uhr hat uns gerettet.“

Ein Eckwürfel-Retroreflektor – oder vielmehr eine Reihe davon – bot ein ideales Design. Ein gewöhnlicher Einzelspiegel hätte theoretisch funktioniert, aber er müsste immer genau auf den Punkt ausgerichtet sein, an dem das einfallende Licht entstanden ist, damit der Lichtstrahl zur Zeitmessung direkt zur Quelle zurückreflektiert wird. Aufgrund der Drehung des Mondes um seine eigene Achse und seiner Drehung um die Erde würde diese perfekte Ausrichtung jedoch nur in seltenen Fällen auftreten – und selbst dann würde ein kleiner Ausrichtungsfehler dazu führen, dass das Licht an einen anderen Ort zurückkehrt. Aber diese Reflektoren würden aus drei Spiegeln bestehen, die genau im rechten Winkel zueinander stehen, wie die Innenecke eines Kartons. Dieses Design zwingt das einfallende Licht dazu, von drei Oberflächen reflektiert zu werden, und die Gesetze der Optik garantieren, dass es immer direkt zur Quelle zurückprallt.

Als Fallers Experiment von der NASA genehmigt wurde, gab es noch einen weiteren entscheidenden Schritt: jemanden zu finden, der die Reihe spezieller Reflektorspiegel bereitstellte, um die Entfernungsmessung zu ermöglichen. Ein Vorteil für unser Unternehmen Heraeus bestand darin, dass das von uns hergestellte Quarzglas bekanntermaßen die höchste Reinheit aufweist und somit resistent gegen jede Strahlungsionisation ist, die normales Glas beim Altern im Weltraum verdunkeln lassen würde. Eine hohe Reinheit würde auch die Absorption sowie die Blasen und Einschlüsse minimieren, die kleine Linsen oder Mikroreflektoren erzeugen, die dazu führen könnten, dass das Licht nicht richtig reflektiert wird.

Der Reflektor musste den strengen Qualitätsstandards der NASA entsprechen. Es musste einwandfrei funktionieren. Und das Unternehmen musste sich schriftlich verpflichten, dass es unter den rauen Bedingungen im Weltraum mindestens zehn Jahre halten würde.

Eine letzte Frage blieb noch offen: Es war in den 1960er Jahren und Heraeus war ein deutsches Unternehmen. Der Zweite Weltkrieg war erst zwei Jahrzehnte zuvor zu Ende gegangen. Würde sich dies auf den Auswahlprozess auswirken? Faller besuchte 1968 persönlich das Heraeus-Werk in Hanau, Deutschland. Führungskräfte des Unternehmens erfuhren, dass die Quarzglas-Arrays auf zwei Unternehmen zurückzuführen waren: Heraeus und General Electric.

Heute gibt Faller zu, dass er nie zu GE gegangen ist. Wir bei Heraus hatten das Glück, dass die Botschaft, die er von der NASA erhielt, klar war: Die Qualität muss an erster Stelle stehen, um den experimentellen Erfolg sicherzustellen.

Und am Ende war das Experiment ein voller Erfolg.

Glück oder der Mangel daran spielte in den Tagen nach der Landung eine Rolle. Am Lick-Observatorium der University of California stießen Faller und sein Team aus Wissenschaftlern und Studenten zunächst auf Schwierigkeiten, weil Apollo 11 meilenweit von ihrem erwarteten Landeplatz entfernt landete. Außerdem stand der Mond zu tief am Himmel, als dass er eine Entfernungsmessung hätte durchführen können, ohne einen großen Teil der Erdatmosphäre zu durchqueren.

Die Entfernungsmessung wurde am 1. August wieder aufgenommen, als der Mond eine günstigere Position am Himmel hatte. Unter diesen Bedingungen wurde der Laser 162 Mal abgefeuert, bevor irgendwelche Echos vom Mondarray erkannt wurden. Die letzte Serie von 120 Laserstrahlschüssen ergab nach einigen Anpassungen 80 erkannte Echos.

Im Gegensatz zu Neil Armstrongs „Riesensprung“ wurde der Fortschritt des Ranglistenteams in kleineren, bescheideneren Sprüngen gemessen. Am 1. August hatten Faller und das Messteam mit einer Zeitgenauigkeit von 0,1 Mikrosekunden die Entfernung zum Mond mit einer Einzelschussgenauigkeit von acht Metern ermittelt, verglichen mit einer Genauigkeit von etwa 1.200 Metern, die Ende der 1950er Jahre mit Radar gemessen wurde.

Zwei Tage später verbesserten sie den Wert auf sechs Meter. Letztendlich wurde die Genauigkeit auf einen Millimeter reduziert.

Die Lunar Laser Retroreflector-Experimente (sie wurden ebenfalls von den Astronauten Apollo 14 und 15 durchgeführt) gehören nach wie vor zu den wichtigsten wissenschaftlichen Errungenschaften der Apollo-Missionen) und tragen zu unserem Verständnis von allem bei, von der allgemeinen Relativitätstheorie bis zur inneren Struktur des Mondes. Der erste Reflektor ist nach wie vor das einzige Gerät, das am Landeplatz von Apollo 11 noch in Betrieb ist.

Doch wie Jim Faller kürzlich erinnerte, waren die Ereignisse der ersten Mondlandung nicht nur das Ergebnis beeindruckender Technologie und Wissenschaft, sondern auch einiger Glücksmomente. Er sagte: „In der Wissenschaft steckt auch das Bedürfnis nach Glück. Und das damalige Apollo-Programm brauchte etwas Glück. Sowohl unsere Arbeit als auch das Apollo-Programm hatten Glück.“

Die geäußerten Ansichten sind die des Autors/der Autoren und stimmen nicht unbedingt mit denen von Scientific American überein.

Grant Lu, PhD, ist Präsident von Heraeus Quartz North America in Buford, Georgia.

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