University of Luxembourg

Das "LunaLab" im SnT Gebäude simuliert die Mondbedingungen um zum Beispiel die Navigation von Moon Rovern zu testen

Auf den Researchers‘ Days gibt es dieses Jahr drei Workshops und zwei Science Cafés zum Thema Weltraum.  Wie kommen Moon Rover bei der Erkundung des Mondes zum Einsatz? Können wir den Mond irgendwann als Zwischenstopp für weitere Weltraumreisen nutzen? Wir haben uns mit den Forschern unterhalten, die zwei dieser Workshops vorbereiten.

Was sind die Researchers‘ Days?

Am Samstag, 26. November verwandelt sich die Rockhal in ein riesiges Forschungslabor: In mehr als 30 praktischen Workshops bringen Forscher und Institutionen dir ihre Wissenschaft näher. Anfassen, Ausprobieren und Experimentieren sind ausdrücklich erwünscht!

Wann? 26. November von 10 bis 19h

Wo? Rockhal in Esch/Belval

Eintritt? Ist frei!

Was sind Moon Rover und wie werden sie von der Erde aus gesteuert?

Moon Rover sind Roboter auf dem Mond, die zur Erkundung des Mondes eingesetzt werden. Über Computer und Satelliten werden diese von der Erde aus ferngesteuert. 360-Grad-Kameras, die an den Moon Rover angebracht sind, senden Bilder zurück auf die Erde senden und dienen zur Navigation.

Jedoch gibt es bei der Steuerung eine Herausforderung: Die Zeitverzögerung von ungefähr 5 Sekunden in der Kommunikation zwischen der Erde und dem Mond. Jeder Befehl, den man an die Moon Rover sendet, kommt erst 2,5 Sekunden später dort an. Die Bilder der Moon Rover Kamera kommen dann noch später wieder auf der Erde an. „Man muss also ein wenig vorausdenken. Wenn man zum Beispiel auf einen Stein zusteuert, dann muss man den Befehl zum Lenken ein paar Sekunden früher senden“, erklärt Loïck Chovet, Doktorand an der Universität Luxemburg.

 

Für ihren Workshop "Moon Rover Sensation" auf den Researcher‘ Days haben Dave van der Meer, Doktorand an der Universität Luxemburg, und sein Team zwei verschiedene Aktivitäten geplant:

In einem Videospiel müssen die Spieler zusammen eine Rakete steuern. Das schwierige dabei ist die Kommunikation zwischen den Spielern, da die Zeitverzögerung immer größer wird, je weiter sich die Rakete von der Erde entfernt.

In der zweiten Aktivität kann man ausprobieren, wie es ist einen Moon Rover von der Erde aus zu steuern: dazu bringen Dave und sein Team einen Moon Rover mit, den die Besucher durch einen Hindernislauf steuern müssen. Und das mit der Zeitverzögerung.

Wie kommt diese Zeitverzögerung zustande?

 „Obwohl die Radiowellen, die wir für die Kommunikation zwischen Erde und Mond verwenden, sich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen, kommen sie erst verzögert auf dem Mond an. Das liegt an der großen Entfernung zwischen Erde und Mond“, erklärt Loïck Chovet.

„Für den direkten Weg zum Mond benötigen die Radiowellen 1,2 Sekunden“, präzisiert Dave van der Meer, Doktorand an der Universität Luxemburg. „Da die Kommunikation jedoch in der Regel über verschiedene weiterleitende Antennen erfolgt (von der Bodenstation zu einer Antenne, zu einem Satelliten und dann zur Mondoberfläche), dauert dies sogar noch etwas länger. Die Zeit wird zudem auch durch den Abstand zwischen Erde und Mond beeinflusst, der sich im Laufe des Jahres ändert. Es dauert also insgesamt ungefähr 5 Sekunden von dem Befehl, den wir senden, bis wir die Bilder vom Mond Rover erhalten und sehen, was er tut.“

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

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Welche Mission haben Moon Rover auf dem Mond?

„Die Rover werden also eingesetzt, um die Mondoberfläche zu erkunden. Im Moment geht es hauptsächlich darum, zu erkunden, ob und wo es Rohstoffe gibt, die nützlich für uns sein könnten. Einige Rover haben auch Arme, mit denen sie Dinge handhaben können, und Sensoren, um die Materialien zu analysieren. Zum Beispiel können sie Multispektralbilder aufnehmen, mit denen sie die Bestandteile im Inneren eines Gesteins analysieren können. Diese Daten senden sie dann zurück zu uns auf die Erde. In Zukunft werden Moon Rover wahrscheinlich auch in der Lage sein, Boden- und Gesteinsproben zu sammeln und zur Erde zurückzuschicken“, so Dave van der Meer.

Warum suchen wir auf dem Mond nach Rohstoffen?

Es gibt einige wichtige Rohstoffe auf dem Mond, die sehr nützlich sein können. Zum Beispiel gibt es Heliumisotope  - das sind bestimmte Formen des chemischen Elements Helium -, die wir für die Kernfusion verwenden könnten.

„Durch Kernfusion kann man viel größere Mengen an Energie gewinnen als bei der Kernspaltung, die zurzeit in Atomkraftwerken zum Einsatz kommt. Ein weiterer großer Vorteil ist, dass bei der Kernfusion kein radioaktiver Abfall entsteht“, so Dave.

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Kernspaltung und Kernfusion

Bei der Kernspaltung in Atomkraftwerken werden Uranatomen in kleinere Atome gespalten. Hierdurch entsteht sehr viel Energie aber auch radioaktiver Abfall. Bei der Kernfusion hingegen werden Wasserstoff- und Heliumisotope (Atome, die eine gleiche Anzahl von Protonen und Elektronen wie Wasser, respektive Helium haben, sich jedoch in der Anzahl von Neutronen unterscheiden) zu Helium verschmelzt. Hierbei entsteht eine noch viel höhere Menge an Energie und kein radioaktiver Abfall, da Helium ein stabiles Atom ist. Dieser Prozess spielt auch in unserer Sonne ab: durch die große Menge an Energie, die permanent freigesetzt wird, leuchtet sie und erwärmt unseren Planeten.

Wen dieses Thema noch mehr im Detail interessiert kann sich dieses Video dazu anschauen. 

„Einen weiteren Rohstoff, den wir nutzen könnten, ist Wasser, das wir vor nicht allzu langer Zeit auf dem Mond gefunden haben. Wir könnten dieses Wasser in Wasserstoff umwandeln, was ein guter Treibstoff für Satelliten ist. Es würde nämlich viel weniger Energie kosten, das Wasser vom Mond in die Umlaufbahn zu bringen als von der Erde. Das liegt an der größeren Schwerkraft auf der Erde im Vergleich zum Mond.“

Gibt es neben der Zeitverzögerung noch andere Herausforderungen bei der Kommunikation mit Moon Rovern? 

„Die Zeitverzögerung ist eine Herausforderung, die wir recht gut bewältigen können“, so Dave. „Die schwierigere Herausforderung auf dem Mond sind die extremen Lichtverhältnisse: Da es auf dem Mond keine Atmosphäre gibt, kann das Sonnenlicht nicht, wie auf der Erde, von Teilchen der Atmosphäre reflektiert werden. Auf dem Mond ist es daher entweder stockfinster oder sehr hell. Die Rover bewegen sich von stockfinsteren Schattenbereichen zu sehr hellen Sonnenbereichen, was es schwierig macht, immer kontrastreiche Bilder von den Kameras der Mond Rover zu erhalten.“

Wie viele Moon Rover gibt es zurzeit auf dem Mond?

„Derzeit gibt es fünf Moon Rover auf dem Mond. Jedoch ist nur noch einer von ihnen aktiv (Yutu-2). Die Nächte auf dem Mond sind 14 Tage lang und es werden minus 170 Grad Celsius, was die meisten Batterien nicht lange aushalten. Übrigens gibt es auch schon einige Moon Rover auf dem Mars“, sagt Dave.

Werden defekte Moon Rover einfach auf dem Mond zurückgelassen?

„Ja, im Moment werden sie einfach dort gelassen. Später, wenn Menschen länger auf den Mond bleiben können, könnten die Moon Rover repariert oder wiederverwendet werden“, so Dave. „Dazu müssen wir jedoch zuerst eine Mondbasis bauen.“

Loïck Chovet (linkes Bild) ist Co-Organisator des Workshops "Moon Rover Sensation". Xiao Li (rechts) wird ebenfalls auf den Researchers' Days beim Workshop mithelfen.

 

Wieso wäre eine Basis auf dem Mond so bedeutend?

Der längste Aufenthalt auf dem Mond war während der Apollo 17 Mission im Jahr 1972 und dauerte circa 75 Stunden. Für mehr reichte der Sauerstoff damals nicht. In einer Mondbasis könnten Menschen mehrere Wochen oder Monate auf dem Mond bleiben, und das hätte einige Vorteile.

„Eine Mondbasis würde die Erkundung des Mondes und die Suche und Verarbeitung von Rohstoffen erleichtern“, sagt Olivia Borgue, Forscherin an der Universität Luxemburg. „Zurzeit können das nur die schwer zu steuernden Moon Rover tun. Wenn Menschen dort einige Zeit leben könnten, könnten sie die Proben entnehmen und direkt vor Ort analysieren und gegebenenfalls weiterverarbeiten. Des Weiteren würde eine Mondbasis auch viele neue Möglichkeiten bieten: In Zukunft soll eine Mondbasis auch als Zwischenstopp für eine bemannte Mission zum Mars genutzt werden.“

 

So ähnlich könnte eine Mondbasis aussehen:

So ähnlich könnte eine Mondbasis aussehen

© AdobeStock 


Was sind die Herausforderungen bei der Errichtung einer Mondbasis?

Es kann noch einige Jahre dauern, bis wir eine funktionsfähige und autonome Basis auf dem Mond errichten können. Es gibt nämlich einige Herausforderungen, die die Experten noch bewältigen müssen.

„Die physikalischen Kräfte, die auf dem Mond herrschen, sind anders als auf der Erde“, so Olivia Borgue. „Angefangen bei der Schwerkraft, die auf dem Mond viel geringer ist als auf der Erde. Das beeinflusst die ganze Konstruktion. Hinzu kommen die hohen Temperaturschwankungen: die Materialien für die Konstruktion müssen sowohl -170 Grad Celsius in der Nacht als auch +130 Grad tagsüber aushalten. Außerdem sucht man auch gerade noch nach Materialen, die auf dem Mond vielleicht schon vorhanden sind. Würde man alles von der Erde aus dorthin schaffen, würde das viel zu teuer werden. Deshalb muss eine Mondbasis auch autonom und ohne ständiges Beliefern der Erde funktionieren; auf dem Mond brauchen wir dann genügend Wasser und müssen selbst Energie erzeugen. Auch Essen müsste dort oben selbst angebaut werden. Und das sind nur einige der vielen Herausforderungen, die uns gegenüberstehen.“

Was kann man im Workshop „Design your own Moon Camp” machen?

In einer ersten Aktivität kann man in einer Gruppe eine Mondbasis designen: Was braucht eine Mondbasis unbedingt? Ein Labor? Ein Gewächshaus? Wie kann ich die Ressourcenverbrauch möglichst geringhalten?  In einer zweiten Aktivität kann man anhand einer Kugelbahn lernen, wie Gegenstände sich hier auf der Erde unter Einfluss von physikalischen Kräften wie Schwerkraft oder Reibung verhalten. Zusammen mit den Forschern diskutiert man, wie unterschiedlich diese Kräfte auf dem Mond wirken.

Ist eine Mondbasis schon in Planung?

2025 will die NASA zusammen mit der European Space Agency (ESA), der Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA), und der Canadian Space Agency (CSA) die Artemis III-Mission starten. Diese visiert den Anfang der Konstruktion einer Mondbasis. Laut NASA soll die Basis zuerst sehr grundlegend ausgerichtet sein und Aufenthalte von 1 bis 2 Wochen ermöglichen. Ziel ist es dann, die Basis nach und nach zu vergrößern, sodass später vielleicht Missionen bis zu 2 Monaten möglich sind.

"Trotz vieler Herausforderungen könnte eine voll funktionstüchtige Mondbasis, in der Menschen einige Monate lang leben können, schon in 20-30 Jahren Realität sein", sagt Olivia Borgue.

Aber auch Russland und China haben sich zusammengetan und machen der Artemis-Mission Konkurrenz. 2027 soll ein chinesisches Landefahrzeug mit dem Aufbau einer solchen Basis beginnen. Nach mehr als 50 Jahren beginnt also ein neuer Wettlauf zum Mond und die Forschung bleibt spannend.

Wie trägt eure Forschung dazu bei, diese Herausforderungen zu meistern?

Dave van der Meer arbeitet an einer Software, die es ermöglicht, eine 3D-Karte des Mondes zu erstellen. "Im Moment verlassen wir uns nur auf die Bilder, die wir von den Kameras der Moon Rover erhalten. Diese sind leider sehr ungenau, unter anderem durch die vorhin beschriebenen Lichtverhältnisse und Zeitverzögerung. Viel besser ist es, eine 3D-Karte zu erstellen, damit wir genau wissen, wo sich Krater oder auch kleine Felsen befinden. Das wird das Navigieren der Moon Rover erheblich erleichtern.“

Loïck Chovet arbeitet an einer Methode, die die Kommunikation zwischen den Moon Rovern verschiedener Unternehmen oder Regierungen erleichtern soll, damit sie sich gegenseitig vertrauen und Daten austauschen können. „Wir hoffen, dass wir dadurch nicht haufenweise Roboter auf den Mond schicken, sondern die bereits vorhandenen effizienter und für verschiedene Zwecke einsetzen können.“

Olivia Borgue und ihre Forschungsgruppe arbeiten am Entwurf von Weltraummissionen. „Wir widmen uns Fragen wie: Wie, wann und warum wollen wir den Mond erreichen und eine Mondbasis errichten? Welche Module soll diese enthalten? Wie viele Astronauten soll sie beherbergen können und wie groß ist der Bedarf an Energie, Nahrung, Wasser, Luft? Welche Analysen wollen wir auf dem Mond betreiben?“

Wenn du mehr zur Arbeit dieser Forscher wissen und sie persönlich treffen willst, dann komm am 26.November auf die Researchers‘ Days in der Rockhal! Die Forscher werden die Workshops alle selbst betreuen und freuen sich, sich mit dir über ihr Forschungsfeld zu diskutieren.

Autorin: Lucie Zeches (FNR)
Editoren: Michèle Weber (FNR), Melanie Reuter (FNR), Joseph Rodesch (FNR)

Auf den Researchers' Days hast du die Möglichkeit, mehr als 30 solcher interaktiven Workshops auszuprobieren. Hier hast du alle Workshops zum Thema Space auf einen Blick: 

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die Wissenschaftler hinter den Workshops

Dave van der Meer (Foto) ist Doktorand am Interdisciplinary Centre for Security, Reliability and Trust (SnT) und arbeitet im Department für Space Robotics. Zusammen mit Loïck Chovet, ebenfalls Doktorand im gleichen Department (foto weiter unten), organisieren sie den Workshop "Moon Rover Sensation" auf den Researchers' Days. 

Olivia Borgue ist Forscherin am SnT und tätig in der Space Systems Engineering Research Group (SpaSys). Sie organisiert den Workshop "Build your own mooncamp" auf den Researchers' Days.

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