Wie können Raumsonden jahrzehntelang das Weltall erforschen?

So bewegen sich Raumsonden fort

Raumsonden sind mit speziellen Triebwerken ausgestattet, die auf das Vakuum im Weltall ausgelegt sind. Um trotz fehlender Sauerstoffatmosphäre Treibstoff zu verbrennen, müssen sie zusätzlich ein Oxidationsmittel freisetzen. Da die Sonde ohne diese Stoffe ihren Kurs nicht korrigieren kann und durch das All treiben würde, müssen Raumsonden extrem sparsam mit ihren Vorräten umgehen.

Raumsonden sind mit begrenztem Treibstoff unterwegs – und können damit trotzdem jahrzehntelang auskommen

Die Schwerelosigkeit hat aber auch einen Vorteil. Da es ohne Atmosphäre auch keine Reibung gibt, kann die Sonde theoretisch unendlich lange eine konstante Geschwindigkeit beibehalten. Die Triebwerke werden nur für Kurskorrekturen benötigt. Würde man eine Pistolenkugel in den Weltraum schießen, würde sie dort wegen der fehlenden Reibung theoretisch unendlich weit fliegen.

Solarzellen stoßen im All an ihre Grenzen

Da Raumsonden nicht genügend Treibstoff mitführen können, um Strom zu erzeugen, mussten die Konstrukteure eine andere Lösung finden. Einige Raumsonden sind daher mit Solarzellen ausgestattet. Diese benötigen jedoch eine direkte Sichtverbindung zur Sonne, um genügend Strom zu erzeugen.

Im Weltraum gibt es allerdings mehr als genug Orte, die kaum Sonnenstrahlen erreichen. Wird die Sonne zum Beispiel von einem Planeten verdeckt oder bewegt sich die Raumsonde sehr tief im All, werden Solarzellen schnell nutzlos. Deshalb nutzen viele Sonden den Zerfall radioaktiver Stoffe zur Energiegewinnung – auch die Voyager-Baureihe.

Viele Weltraumsonden werden mit kleinen Atomgeneratoren betrieben

Die Radioisotopengeneratoren, die in vielen Sonden eingesetzt werden, verwenden radioaktives Material wie Plutonium, um zunächst Wärme zu erzeugen. Anschließend nutzen sie den sogenannten Seebeck-Effekt. Dieser wandelt Temperaturunterschiede in einem Stromkreis mit zwei unterschiedlichen Leitermaterialien in elektrische Spannung um. Auf diese Weise können Raumsonden jahrzehntelang Strom erzeugen. Ist das radioaktive Isotop jedoch vollständig zerfallen, ist die Energiequelle versiegt.

Der Notfallmodus kann die Lebenszeit von Sonden zusätzlich verlängern

Stellt das Kontrollzentrum fest, dass die Energiereserven der Sonde zur Neige gehen, werden in der Regel nach und nach weitere Instrumente abgeschaltet. Das verringert den Energieverbrauch zusätzlich, um die Reise der Sonde so weit wie möglich zu verlängern.

Jedes iPhone hat mehr Rechenpower – verbraucht aber auch viel mehr Energie

Der Bordcomputer von Voyager 1 hat eine Geschwindigkeit von 1 Megahertz und einen Speicher von 4 Kilobyte. Das war selbst 1977 keine Luxusausstattung – aber genug, um die Systeme der Sonde bis heute effizient und ausfallfrei zu steuern. Alles andere wäre eine Verschwendung von Ressourcen gewesen, die die Lebensdauer der Sonde verkürzt hätte.

Moderne Sonden haben zwar mehr Rechenleistung, verzichten aber weiterhin konsequent auf modernste Prozessoren, um nur so viel Energie wie nötig zu verbrauchen.

Moderne Hochleistungs-Computerchips sind anfällig für radioaktive Strahlung und daher nicht weltraumtauglich

So arbeitet die 2004 gestartete Sonde „New Horizons“ mit einem nur 12 Megahertz schnellen RISC-Prozessor, was schon damals als extrem langsam galt. „New Horizons“ erreichte 2015 den Planeten Pluto. Der 2011 gestartete Rover „Curiosity“, der derzeit die Oberfläche des Mars untersucht, kommt mit demselben Prozessor aus wie ein Apple iMac aus dem Jahr 1998.

Zudem sind ältere Prozessoren nicht nur sparsamer. Sie gelten aufgrund ihrer einfacheren Bauweise auch als generell weniger anfällig für die gefährliche kosmische Strahlung. Moderne Computerchips würden nach heutigem Stand der Technik bereits nach kurzer Zeit Schaden nehmen.

Sonden übermitteln keine Videos und keine Farbaufnahmen

Da Raumsonden ihre Energiereserven möglichst effizient nutzen müssen, sind auch Videoaufnahmen derzeit noch Zukunftsmusik. Die installierten Kameras sind hochentwickelte Standbildkameras, die hochauflösende Einzelbilder aufnehmen. Um noch mehr Energie zu sparen, werden die Bilder schwarz-weiß aufgenommen. Die Farben werden dann durch zusätzliche Berechnungen ermittelt und nachträglich hinzugefügt.

Die Daten werden per Radiowellen zur Erde geschickt

Die Kommunikation mit Weltraumsonden erfolgt über Radiowellen. Diese können sich im Weltraum theoretisch unendlich weit ausbreiten. Außerdem bewegen sie sich mit Lichtgeschwindigkeit. Im Weltraum sind das 299.792.458 Meter pro Sekunde.

Der Nachteil: Auf diese Weise lassen sich nur kleine Datenmengen auf einmal übertragen. Die Raumsonde „New Horizons“ übermittelte die im Orbit von Pluto aufgenommenen Bilder mit etwa 250 Byte pro Sekunde. Das sind 0,00025 Megabyte. Die Übertragung der Daten zur Erde dauerte daher mehrere Monate.