Sternwarte Zimmerwald empfängt Laserlicht aus Österreich via Satellit

Normalerweise messen die Laserstation Zimmerwald des Astronomischen Instituts der Universität Bern (AIUB) und die Laserstation Graz des Instituts für Weltraumforschung (IWF) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften unabhängig voneinander die Entfernungen zu Satelliten im Weltraum. Dabei werden die Satelliten mit schwachen, aber sehr kurzen Laserpulsen beleuchtet, um ihre Entfernungen mit einer Genauigkeit von 2-3 Millimeter zu bestimmen. Sogenannte Retroreflektoren, die im Prinzip genau gleich funktionieren wie Rückstrahler an einem Fahrrad, schicken das Licht des Lasers exakt in die Herkunftsrichtung zurück. «Aus solchen Messungen lassen sich unter anderem die Bahnen von Satelliten und die Positionen der Stationen mit hoher Genauigkeit ermitteln», erläutert Martin Ploner vom Astronomischen Institut der Universität Bern.

Weltweite Premiere

In einem Experiment empfing nun die Laserstation Zimmerwald via Satellit Lichtteilchen, sogenannte Photonen, die von der Laserstation Graz gesendet wurden. «Weltweit ist es uns zum ersten Mal gelungen, Laserphotonen an einem Satellit zu reflektieren und in einer anderen Empfängerstation zu detektieren», kommentiert Ploner den Versuch. Mit einem wesentlich stärkeren Laser als im Normalbetrieb – einer Leihgabe des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Stuttgart – beleuchteten die Forschenden in Graz den in etwa 800 Kilometern Höhe fliegenden Satelliten «ENVISAT»; einzelne Photonen gingen dabei an den Retroreflektoren vorbei und wurden von der Oberfläche des Satelliten diffus in alle Richtungen reflektiert. So war es den Berner Forschern möglich, das Laserlicht aus Graz in Zimmerwald zu detektieren.

Um dies zu ermöglichen, musste der gesamte zeitliche Sende- und Empfangsprozess der beiden beteiligten Stationen miteinander synchronisiert werden. «Das Zeitfenster, in dem wir die Laserphotonen mit unserem Teleskop einfangen konnten, beträgt weniger als eine Mikrosekunde», erklärt der Astronom. «Wir mussten unsere Uhren also präzise abstimmen und die Laufzeit des Lichts vom Moment des Signals in Graz bis zum Eintreffen in Zimmerwald genau berechnen.»

Weil das auf den Satelliten eintreffende Licht von der Oberfläche diffus reflektiert wird, kann diese Methode auch auf mehrere Stationen erweitert werden. Insbesondere ist sie auch auf Zielobjekte anwendbar, die keine Retroreflektoren besitzen, zum Beispiel Weltraumschrott-Teile. Damit haben solche Messungen in Kombination mit optischen Beobachtungen das Potential für die präzise Bahnbestimmung von Weltraumschrott in tiefen Umlaufbahnen.

Die Kenntnis genauer Bahnen von Weltraumschrott-Teilen ist eine Voraussetzung, um Kollisionen mit aktiven Satelliten oder der Weltraumstation ISS durch Ausweichmanöver zu verhindern. «Heute wird Weltraumschrott in tiefen Umlaufbahnen mittels Radar überwacht, eine Technik, die enorm teuer ist», so Thomas Schildknecht, Forschungsleiter für Weltraumschrott am Astronomischen Institut, «mit dem vergleichsweise günstigen Laser-Verfahren könnte voraussichtlich viel Geld gespart werden».