Irdischer Radiolärm und die Rückseite des Mondes

Da verwundert es nicht, dass schon einige Nobelpreise an die Radioastronomie gingen: für den Nachweis der Kosmischen Hintergrundstrahlung, für die Entdeckung der Pulsare und für die Erfindung der Radiointerferometrie. Außerdem gibt es noch eine Menge Rätsel, die auf eine Lösung warten. „Das Universum ist mit Magnetfeldern angefüllt“, greift der Astrophysiker eines davon heraus. „Nicht nur die Erde und die Sonne, sondern auch Galaxien haben ein Magnetfeld.“ Das wirft die Frage auf, wie die Galaxien dazu gekommen sind. Es müsste gigantische elektrische Ströme geben, die diese Magnetfelder wie ein Dynamo zum Laufen bringen, überlegt Kramer. Völlig verstanden sei das bis heute nicht. „Es gibt keine andere Technik, mit der man die Magnetfelder so leicht beobachten kann wie im Bereich der Radiostrahlung, weil die Magnetfelder zu einer Polarisation führen. Diese ist im Radiobereich viel einfacher zu messen als im optischen oder gar im Röntgenbereich. Im Bereich der Gammastrahlung ist es nahezu unmöglich.“

Dann wird Kramer ernst. Er deutet auf ein Poster an der Wand seines Büros. Darauf ist eine riesige Antenne zu sehen, ähnlich einer überdimensionierten Satellitenschüssel. „Das ist unser 100-Meter-Teleskop in Effelsberg. Es hat eine ziemlich große Empfangsfläche – die größte in Europa, die voll beweglich ist. Die brauchen wir, um die extrem schwachen Signale aufzufangen.“

Doch leider werden immer mehr Geräte betrieben, die diese galaktischen Signale einfach überstrahlen. „Würde man ein Mobiltelefon auf dem Mond betreiben, würde es neben der Sonne, dem Supernova-Überrest Cassiopeia A und der Radiogalaxie Cygnus A zu den Top 5 der stärksten Radioquellen am Himmel zählen“, sagt Kramer. „Und wenn das Handy in der Hosentasche steckt – direkt neben dem Teleskop –, dann haben wir in dem Frequenzbereich überhaupt keine Chance, noch irgendwelche anderen Signale aus den Weiten des Universums zu empfangen.“

Radio und Mobilfunk stören bereits stark. Dieses Problem lässt sich lösen, wenn man mit Observatorien in dünn besiedelte und von Bergen abgeschirmte Regionen ausweicht. Dem Einfluss von Satelliten entgeht man so jedoch nicht. „Die Megakonstellationen, die in Zukunft um die Erde kreisen sollen, machen uns Radioastronomen große Sorgen“, kommentiert Kramer die großen Satellitenschwärme, die Raumfahrt-Unternehmen wie SpaceX gerade aufbauen. „Da hilft es nicht, das Teleskop an abgelegenen Standorten zu bauen. Denn Satelliten sind eben überall.“

Lobbyarbeit für Frequenzen

Dessen sind sich auch Benjamin Winkel und Gyula Józsa bewusst. Die beiden sind Frequenzmanager oder „Lobbyisten im Dienst der Radioastronomie“, wie sie selbst sagen. Dafür haben die beiden Astrophysiker die Beobachtungszeit am Teleskop gegen endlose Zoommeetings, tagelange Konferenzen und Mitgliedschaften in Fachverbänden und Komitees eingetauscht. „Wir nehmen das Wort Störstrahlung nicht gern in den Mund“, sagt Winkel. „Astronomen tendieren zwar gern dazu, alles als Störung zu bezeichnen, was nicht aus dem Universum kommt. Die größte Störung aber geht von tatsächlich erlaubter und gewollter Radiostrahlung aus.“ Das heißt konkret: Kein Funkgerät, kein Smartphone, kein Satellit darf ohne Genehmigung betrieben werden. Die Frequenzbereiche, in denen Geräte kommunizieren, werden international verhandelt und festgelegt. „Die Internationale Fernmeldeunion (ITU) veranstaltet alle drei bis vier Jahre eine Weltfunkkonferenz“, sagt Benjamin Winkel. „Da kommen Tausende Leute aus Verwaltung, Industrie und Wissenschaft zusammen. Die überlegen dann gemeinsam, welche Funkdienste auf welchen Frequenzen arbeiten sollen.“

In Tabellen ist für jedes Hertz des Frequenzspektrums penibel festgelegt, wer sie nutzen darf. Und es werden Regeln vereinbart, sodass man sich nicht gegenseitig stört. Natürlich ist die Radioastronomie als betroffene Partei bei den Verhandlungen dabei. „Wir haben so empfindliche Geräte, dass wir von Sendern in riesigen Entfernungen noch Störungen aufnehmen können“, sagt Gyula Józsa. „Wir sind also besonders daran interessiert, an solchen Kompatibilitätsverfahren mitzuwirken.“ Einfach ist das nicht. Denn Radioastronomie ist in aller Regel Grundlagenforschung. Und diese gerät immer wieder in Konflikt mit harten wirtschaftlichen Interessen.

„Natürlich gibt es in den Gremien Leute, die sehr gut verstehen, warum Grundlagenforschung wichtig ist“, weiß Winkel. „Andere sehen jedoch kaum einen praktischen Nutzen im Tun unserer Kollegen. Dann müssen wir Überzeugungsarbeit leisten.“ Hilfreich sei es da, wenn Radioastronomen mit einer spektakulären Entdeckung mediale Aufmerksamkeit erzielen. „Oder wenn ein Staat direkt an einem Radioteleskop beteiligt ist“, meint Józsa, „denn wenn er richtig Geld in ein solches Projekt steckt, dann will er das in der Regel auch so gut es geht schützen – zum Beispiel mit radioberuhigten Zonen in der Umgebung.“

Für die beiden Astrophysiker und Frequenzmanager bedeutet Radioastronomie in erster Linie eine Investition in die Zukunft. „Astronomie ist ein sehr starkes Zugpferd, wenn es um MINT-Fächer geht“, weiß Benjamin Winkel. „Damit lässt sich der wissenschaftliche und technische Nachwuchs begeistern.“ „Zudem hat die Grundlagenforschung aus dem vorigen Jahrhundert unsere heutigen Technologien erst möglich gemacht“, wirft Gyula Józsa ein und verweist auf die Allgemeine Relativitätstheorie. Als Einstein sie formulierte, konnte sich niemand vorstellen, welche Bedeutung sie einmal haben würde. „Heute ist sie unabdingbar für die Positionsbestimmung mithilfe von Satelliten. Wer kann also schon sagen, welche Rolle astronomische Entdeckungen heute in hundert Jahren spielen werden?“

Der harte Kampf um die Frequenzen am Verhandlungstisch ist aber nur die eine Seite, mit der sich Benjamin Winkel und Gyula Józsa befassen. Denn es gibt auch Radioquellen, die selbst die Frequenzmanager als Störung betrachten: „Sämtliche Elektronik strahlt ungewollt, zum Beispiel weil die Leiterbahnen auf einer Platine als Antennen wirken“, sagt Winkel. „Das sind zwar üblicherweise sehr geringe Pegel. In der unmittelbaren Umgebung von Teleskopen werden sie aber zum Problem.“ Deshalb werden alle Computer am Effelsberger Teleskop in einem abgeschirmten Raum betrieben. Tastaturen und Mäuse gibt es nur kabelgebunden. Und jedes neue Gerät muss erst aufwendig auf Störstrahlung geprüft werden, bevor es in Betrieb genommen werden kann.

Auf der Erde mag das noch irgendwie funktionieren. Fast aussichtslos ist der Kampf, wenn sich die Elektronik im Orbit befindet. „Auch jeder Satellit strahlt ungewollt Radiosignale aus“, ergänzt Józsa. „Das fällt normalerweise nicht ins Gewicht. Doch bei einer Megakonstellation mit mehreren Tausend Exemplaren summiert sich die ungewollte elektromagnetische Strahlung, sodass sie uns Radioastronomen stört.“ Und plötzlich steht wieder der Satz im Raum, den Michael Kramer in Bonn zum Abschied sagte: „Der einzige Ort, an dem wir noch ungestört Radioastronomie betreiben könnten, wäre die Rückseite des Mondes.“

Erst der Vulkan, dann der Mond

Genau das hat eine Gruppe Wissenschaftler und Ingenieure vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und von der Europäischen Weltraumagentur (ESA) im Sommer 2022 am Ätna in Sizilien geprobt. „Dieses Knirschen unter den Schuhen hat mich an einen Spaziergang über frischen Schnee erinnert“, sagt Emanuel Staudinger. „Dabei war die ganze Szene schon ziemlich surreal. Man hat keinen wirklichen Bezugspunkt. Es gibt keinerlei Vegetation. Man sieht nur diese Mondlandschaft und den Lander, der da mittendrin steht.“ Vier Wochen war er auf einer Hochebene, gut 2600 Meter über dem Meeresspiegel an der Flanke von Europas höchstem aktiven Vulkan. Schwarzes Gestein, soweit das Auge reicht: unwirtlich, lebensfeindlich. Aber der perfekte Ort, um für fremde Himmelskörper zu trainieren. Analogumgebung nennen das die Raumfahrer. Dort sollten autonome Roboter mehrere Missionen absolvieren. Eine davon war der Aufbau eines Radioteleskops für niedrige Frequenzen, das Emanuel Staudinger und sein Team entwickelt hatten.

„Ein wissenschaftlicher Berater der ESA kam mit dem Thema auf uns zu“, erzählt der Elektrotechniker und Systemdesigner. „Er meinte, dass Radioastronomen gerne so etwas hätten.“ Nun gehört Radioastronomie nicht zu dem, womit sich das Team des Instituts für Kommunikation und Navigation am DLR tagtäglich beschäftigt. „Aber wir fanden das Thema sehr spannend. Denn wir könnten mit dieser Anwendung viele unserer Technologiebausteine einbringen.“

Also haben die Forscher in vier ungefähr schuhkartongroße Payload-Boxen je einen Funkempfänger für niederfrequente Funksignale, ein Ortungssystem sowie ein Referenzsystem integriert. Das waren die Antennen. Verstaut wurden sie in einer Basiseinheit, dem Lander. Dort holte sie ein Roboter ab. Über ein mechanisches Docking-Interface konnte dessen Arm die Box aufnehmen und huckepack ins Experimentiergebiet bringen. Das war keine triviale Aufgabe, wenn man bedenkt, dass die Kameras der Roboter keine markanten Punkte zum Navigieren hatten. „Wir haben das Konzept dann noch erweitert“, berichtet Staudinger. „Aus Gewichtsgründen konnten wir keine großen Akkus in die Box integrieren. Damit wir die Systeme am Berg trotzdem ein bisschen länger betreiben können, haben wir die Idee einer Powerbox entwickelt.“

Der Roboter platzierte zuerst eine untere Box mit einem Zusatzakku im Experimentiergebiet. Dann fuhr er selbstständig zum Lander zurück, holte die Antennen-Box und setzte sie passgenau auf die externe Stromversorgung. Das Knifflige daran: „Wir mussten die Antennenelemente präzise einmessen, also ihre Position untereinander exakt bestimmen. Das hat wunderbar geklappt“, freut sich Staudinger. Zwei Funksender im Gelände sollten dann die Radioquelle simulieren, damit die Forscher im Kontrollraum ihr Radioteleskop auch in Aktion sehen konnten.

„Wir haben uns für sehr tiefe Frequenzen zwischen 10 und 20 Megahertz entschieden“, berichtet er. „Sie werden durch die Ionosphäre der Erde sehr stark abgeschwächt und sind daher bei uns kaum zu beobachten.“ Gerade in diesem Frequenzbereich sind wertvolle wissenschaftliche Informationen über extrem rotverschobenen Wasserstoff zu finden, hatte Michael Kramer betont: „Neutraler Wasserstoff, wie wir ihn sehr häufig im All finden, hat eine charakteristische Spektrallinie bei 21 Zentimeter Wellenlänge beziehungsweise einer Frequenz von 1,42 Gigahertz. Allerdings dehnt sich der Weltraum aus, und dadurch werden die Radiowellen in die Länge gezogen.“ Physiker nennen das Rotverschiebung. Die Strahlung von Wasserstoff aus der Kinderstube des Universums hat heute eine Wellenlänge von knapp 30 Metern beziehungsweise eine Frequenz um 10 Megahertz. Diese Strahlung gelangt nicht durch die obere Schicht der Erdatmosphäre – ein wichtiges Argument für ein Mondteleskop.

Doch es gibt auch Hindernisse. Eines ist der immense Aufwand. Bei ESA und NASA gibt es bereits Konzepte mit mehreren Hundert Antennen auf der Mondoberfläche. Ein anderes ist die schiere Flut an Daten, die jede Antenne empfängt. Auf der Erde findet die Vorverarbeitung direkt am Teleskopfeld statt, bevor die Daten per Glasfaser zu den Rechenzentren gehen. „Das aber funktioniert in dieser Form auf der Mondrückseite nicht“, sagt Emanuel Staudinger. „Also müssen wir die vorverarbeiteten Daten wohl drahtlos übertragen.“

Von solchen Plänen wissen auch Benjamin Winkel und Gyula Józsa in Effelsberg. Als Radioastronomen sind sie vorsichtig optimistisch, dass die Experimente trotz des immensen Aufwands eines Tages in ein echtes Teleskop auf der Mondrückseite münden. Als Frequenzwächter haben sie allerdings ihre Zweifel, ob sich dort auch längerfristig forschen lässt. „Es gibt zwar internationale Schutzabkommen für den Mond, die eine Zone nur für die Radioastronomie reservieren“, sagt Józsa. „Doch auch eine Infrastruktur auf dem Erdtrabanten muss kommunizieren. Und schon jetzt häufen sich in der ITU die Anfragen zur Registrierung von Frequenzen und dem Betrieb von Radiosendern rund um den Mond.“