15 Jahre lang haben sich Raumfahrtexperten den Kopf zerbrochen, warum die 1972 zum Jupiter-Vorbeiflug gestarteten Raumsonden Pioneer 10 und 11 etwas langsamer fliegen, als es nach den Gesetzen der Himmelsmechanik der Fall sein müsste. Findige Forscher ersannen rund ein Dutzend Hypothesen, um das scheinbar Unerklärbare doch zu verstehen. Jetzt haben Benny Rievers und Claus Lämmerzahl vom Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation der Universität Bremen die Antwort gefunden.
Schon zu Beginn der 1980er-Jahre war John Anderson vom Jet Propulsion Laboratory der NASA bei der Analyse der Radiosignale auf Bahnabweichungen der beiden Sonden gestoßen. Er hielt den Fund jedoch 15 Jahre lang geheim, weil die NASA nicht zugeben wollte, ihre Bahnberechnungen nicht im Griff zu haben. Mitte der 1990er-Jahre ließ sich der Effekt jedoch nicht mehr wegdiskutieren: Die Pioneer-Anomalie war in der Welt.
400 000 KILOMETER ABWEICHUNG
Pioneer 10, deren Bahndaten die Bremer Forscher jetzt genau analysiert haben, wird mit einem Zehnmilliardstel der Erdbeschleunigung gebremst. Das erscheint sehr wenig. Über einen Zeitraum von 30 Jahren summierte sich dies aber zu einer Abweichung der tatsächlichen Position von der theoretisch berechneten um 400 000 Kilometer.
Bald kursierten diverse Spekulationen zur Erklärung der Anomalie. Als mögliche Verursacher wurden gehandelt: die Ausdehnung des Weltraums, die ominöse Dunkle Materie, die noch mysteriösere Dunkle Energie, Abweichungen von Isaac Newtons Gravitationsgesetz oder von Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie. Claus Lämmerzahl und sein Doktorand Benny Rievers kamen der Sache jetzt auf die Spur und fanden die ganz banale Lösung des Problems.
Rievers baute die Pioneer-10-Sonde nach – allerdings nicht in der Realität, sondern im Computer als exaktes Modell. Hierfür setzte er das Raumschiff aus 50 000 Einzelteilen zusammen und berechnete die resultierende Wärmeabstrahlung der Sonde. Diese sehr aufwendige Aufgabe wurde dadurch noch erschwert, dass lange Zeit nicht alle Konstruktionsdetails der Raumsonde bekannt waren. „Zum Teil haben ehemalige NASA-Mitarbeiter Pläne gesucht und uns geschickt”, sagt Rievers. Außerdem mussten die Bremer Forscher Annahmen über die Abstrahleigenschaften des äußeren Farbanstrichs machen, der sich im Lauf der Jahrzehnte im Weltraum verändert hat. Eingang in das Modell fanden zudem Daten von Temperatursensoren der Raumsonde.
RÜCKSTOSS DURCH EIGENWÄRME
Die Pioneer-Sonden besitzen verschiedene Wärmequellen: zwei außen angebrachte Isotopenbatterien sowie die Instrumente und Kabel im Inneren. Das Programm berechnete, wie viel Strahlung die Teile abgeben und wie sie sich gegenseitig erwärmen. Damit identifizierten Rievers und Lämmerzahl die beiden entscheidenden Akteure: zum einen ein Spiegelsystem, das die Wärme aus dem Inneren in Form von Infrarotstrahlung in den Weltraum abführt, zum anderen die beiden Isotopenbatterien. Sie geben zwar in alle Richtungen gleich viel Wärmestrahlung ab, aber ein kleiner Teil davon trifft auf die große Übertragungsantenne. In beiden Fällen entsteht permanent ein Rückstoß entgegen der Flugrichtung, der die Sonde leicht bremst.
Mit diesen beiden Effekten können die Bremer Forscher das bislang rätselhafte Verhalten auf der gesamten Flugbahn von Pioneer 10 perfekt erklären. Das Ergebnis lässt sich eins zu eins auf die baugleiche Raumsonde Pioneer 11 übertragen. Damit ist die Ehre der NASA gerettet – und die bekannte Physik wieder einmal bestätigt. ■
von Thomas Bührke
