Proceeding - Universität Innsbruck

Proceeding
LS410/Com/113099
Vorbereitender Besuch
Comenius Aktion 1
EducationalPackage
Universität Innsbruck, Österreich
15. - 17. Oktober 1999
2
Der Vorbereitende Besuch wurde gefördert von:
• Comenius (EU)
• Institut für Astrophysik, Universität Innsbruck
Diese Publikation kann nachbestellt werden bei:
LunarSat PO/E
c/o Universität Innsbruck
Institut für Astrophysik
Technikerstraße 25/8
A-6020 Innsbruck
Bestellnummer dt. Version:
LS410/Com/113099,
engl. Version: LS410/Com/112999
Vorbereitender Besuch, Comenius Aktion 1
15. – 17. Oktober 1999
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The Moon is a different thing to each of us.
Frank Bormann, Apollo-Astronaut
 LunarSat PO/E, Innsbruck 1999
Alle Rechte vorbehalten.
Impressum:
Redaktion: Cornelia Lederle
Autoren: Arntraud Bacher, Gernot Grömer, Cornelia Lederle
Rezensent: Gernot Grömer
Layout: Cornelia Lederle
Druck: Fakultätsdruckerei der Baufakultät, Universität Innsbruck
Vorbereitender Besuch, Comenius Aktion 1
15. – 17. Oktober 1999
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Dear participant,
I would like to cordially welcome all participants of the Preparatory Visit Comenius
Action 1 in Innsbruck. I am pleased that through your participation the LunarSat
Education & Outreach Team is growing and that new and better tools can be
developed that will be useful in classrooms, as well as for future exhibitions and
presentations.
As some of you may know, the origin of the LunarSat Project dates back to July
1996 when 52 students, young scientists, and engineers from 15 different European
countries gathered in Alpbach, Austria, for the ESA Summer School "Mission to the
Moon". At the end of this 10 day workshop, two groups presented their results to
the Director of Science at ESA, Dr. Roger Bonnet, and other high-level
representatives of the European space community. After these presentations, Dr.
Bonnet challenged the participants of the Summer School to build a small lunar
orbiter. The LunarSat Proposal was the answer to this challenge provided by the
participants.
We have come a long way since Alpbach, and Education & Outreach have become
increasingly important over the years. It is one of the main features of the mission
to involve at least 50,000 young people in Europe, that is, to create interest in
Astronomy and Astronautics. For example, the EducationalPackage will be
instrumental aids for teachers who are motivated to use the LunarSat mission as a
means to teach astronomy/physics in class. At least in Europe, this is probably a
rather unique activity!
Our team members all over Europe are working extremely hard to finally get the
spacecraft built and launched. I am convinced that, ultimately, we will succeed, we
will reach the Moon, and we will reach out to tens of thousands of youngsters
throughout Europe.
Your conference in Innsbruck will be an important contribution to this goal and on
behalf of the entire team I would like to thank you for your enthusiasm and
dedication!
Wishing you a successful meeting,
Dr. Peter Eckart
LunarSat Project Manager
Vorbereitender Besuch, Comenius Aktion 1
15. – 17. Oktober 1999
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Liebe teilnehmende Schule!
Astronomie und Raumfahrt sind Themen, die bei Schülern auf großes Interesse
stoßen, im Schulunterricht aber so gut wie keinen Platz finden. Mit dem
EducationalPackage will LunarSat eine Initiative setzen, um diesem Missstand
entgegenzuwirken.
Mitte Oktober fand der Vorbereitende Besuch für Comenius Aktion 1 in Innsbruck
statt. Nach einem arbeitsintensiven Wochenende haben wir nun das Proceeding zu
dieser Konferenz ausgearbeitet und wollen es nicht nur den Schulen, die durch
Lehrer an diesem Treffen vertreten waren, sondern auch anderen allgemein am
Projekt interessierten Schulen und Personen zukommen lassen. Alle sind in der
Liste auf Seite 8f zu finden.
Im nächsten Schritt sollen Vorschläge ausgearbeitet werden, wie man Astronomie
und Raumfahrt im Schulunterricht ohne großen Zeitaufwand in die üblichen
Schulfächer einbinden kann. Dazu sollen auch Unterrichtshilfsmittel erstellt
werden.
Im Weiteren sollen Vorschläge für Arbeitsgruppen, Wahlfächer, ... ausgearbeitet
werden, die eine längere Beschäftigung mit diesem Thema voraussetzen.
Details zur LunarSat-Mission selbst, sowie zu den Initiativen entnehmen sie bitte
diesem Proceeding.
Für Fragen stehen wir Ihnen gerne zur Verfügung.
Auf gute Zusammenarbeit!
Arntraud Bacher
EducationalPackage - Koordinatorin
Vorbereitender Besuch, Comenius Aktion 1
15. – 17. Oktober 1999
Inhalt
6
1 Inhalt
1
2
3
4
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
5
6
6.1
6.2
6.3
7
8
8.1
9
9.1
9.2
9.3
10
11
Inhalt
Programm
Teilnehmende und interessierte Institute
Die europäische Mondmission mit Mikroorbiter
Ursprung des Projekts
Mehr über die Geschichte
Ziele der Mission
LunarSat's Reise durch das All
Die Raumsonde
Die wissenschaftlichen Experimente
Das Antriebssystem
Lagebestimmungs- und Kontrollsystem (ADCS)
Das Energiesystem
Kommunikation & GNC Systeme
Onboard data handling system (OBDH)
Die Operationszentrale und Basisstationen
Konstruktion und Analyse
Die Öffentlichkeitsarbeit
EducationalPackage
SpacePinball
MoonCivilization
EarthViews
Ambassador Payload
Das Sonnensystem
Ein kurzer Überblick
Klassifizierung
Einige zusätzliche Details
Der Mond
Mond Daten
Wechselwirkungen zwischen Erde und Mond
Missionen zum Mond
Steine, die eine Geschichte erzählen
Die Entstehung des Mondes
Überblick über die Aktionen des Sokrates-Programms
Schulbildung (COMENIUS)
Aktion 1: Schulpartnerschaften/Europäische Bildungsprojekte
Aktion 3 : Fortbildung von Lehrern und anderen Erziehern
Sonstige Maßnahmen
EducationalPackage - brainstorming
Der Mond im Klassenzimmer
Möglichkeiten für Astronomie und Raumfahrt im Schulunterricht
Noch mehr Gedanken und Ansatzpunkte
Abkürzungen
Einige nützliche Ressourcen
Vorbereitender Besuch, Comenius Aktion 1
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10
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41
41
41
42
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47
15. – 17. Oktober 1999
Programm
7
2 Programm
Freitag, 15. Oktober
Bis 12:00 Ankunft und Anmeldung
12:00 Gemeinsames Mittagessen in Innsbruck
14:00 Begrüßung und Überblick zum Workshop (Gernot Grömer)
Vorstellung der Teilnehmer
Die LunarSat Mission (Maximilian Mühlbacher)
Bildungs- und Öffentlichkeitsarbeit bei LunarSat (Gernot Grömer)
EducationalPackage - derzeitiger Stand (Arntraud Bacher)
19:00 Ende
Samstag, 16. Oktober
09:15 Briefing (Gernot Grömer)
Überblick: Das Sonnensystem (Michael Zechmann)
Überblick: Comenius (Arntraud Bacher)
Brainstorming, Teil 1
Mittagessen
Brainstorming, Teil 2
Beobachtungen am Kleinteleskop
20:00 Ende
Sonntag, 17. Oktober
Briefing und Abschlussbesprechung
12:30 Mittagessen in der Stadt
14:00 Ende
Vorbereitender Besuch, Comenius Aktion 1
15. – 17. Oktober 1999
Teilnehmende und interessierte Institute
8
3 Teilnehmende und interessierte Institute
Teilnehmende Institute
Institution
Kontaktpersonen
Österreich
LunarSat PO/E
c/o Institut für Astrophysik
Universität Innsbruck
Technikerstraße 25/8
A-6020 Innsbruck
Akademisches Gymnasium Innsbruck
Angerzellgasse 14
A-6020 Innsbruck
Privates Gymnasium
Friesgasse 4
A-1150 Wien
Gernot Grömer
[email protected]
Arntraud Bacher
[email protected]
Michael Zechmann
[email protected]
Maximilian Mühlbacher
[email protected]
Cornelia Lederle
[email protected]
Andreas Hörtnagl
[email protected]
Martin Huber
[email protected]
Eva Turner
[email protected]
Deutschland
Georg-Simon-Ohm-Schule
Berufskolleg der Stadt Köln
Westerwaldstraße 92
D-51105 Köln
Horst Reinhardt
[email protected]
Friedhelm Götze
[email protected]
Italien
Istituto Technologico Industriale
"A. Malignani"
V.le Leonardo da Vinci
I-33100 Udine
Lehranstalt für Wirtschaft und
Tourismus
Via Roen 12
I-39100 Bozen
Valnea Dominutti
[email protected]
Antonella Pedretti
[email protected]
Georg Lercher
Vorbereitender Besuch, Comenius Aktion 1
15. – 17. Oktober 1999
Teilnehmende und interessierte Institute
9
Allgemein interessierte Institute und Personen
Österreich
Bundesgymnasium Dornbirn
Realschulstraße 3
A-6850 Dornbirn
BORG Götzis
Mösleweg 16
A-6840 Götzis
BRG Adolf-Pichler-Platz
Adolf-Pichler-Platz 1
A-6020 Innsbruck
Gebhard Köb
[email protected]
German Häusle
Claudia Wurzer
Thomas Flatscher
[email protected]
Deutschland
Didaktik der Physik und Astronomie
Karl-Heinz Lotze
Olaf Fischer
Friedrich-Schiller-Universität Jena
Max-Wien-Platz 1
D-07743 Jena
[email protected]
Sternstunden Mobil
Hans-Peter Schneider
[email protected]
Planetariums-und Ausstellungsservice
Schopperstrasse 40
D-07937 Zeulenroda
Italien
ITCG "P. Baffi"
V.le di Porto
I-205 Fregene (Roma)
Giuliano Casali
[email protected]
Christine Albrecht
Maria Luisa Tibaldeschi
Spanien
IES Blanca
Avd. Rio Segura, S/N
E-30540 Blanca-Murcia
[email protected]
IES Can Vilumara
Av. Josep Tarradellus 153
E-08901 L’Hospitalet
Jose Marin Perez
Jose Antonio de los Reyes-Garcia Candel
Angel Cano Molina
Angel Rios Martinez
Jose Roca Legaz
Antoni Bueso
[email protected]
Vorbereitender Besuch, Comenius Aktion 1
15. – 17. Oktober 1999
Die europäische Mondmission mit Mikroorbiter
10
4 Die europäische Mondmission mit Mikroorbiter
(Alle hier verwendeten Abkürzungen, zusammen mit ihren zumeist englischen Langformen, finden
Sie im Abkürzungsverzeichnis auf Seite 42 wieder.)
4.1 Ursprung des Projekts
Die Geschichte des LunarSat Projekts geht zurück bis in den Juli 1996, als 52
Studenten, junge Wissenschaftler und Ingenieure aus 15 verschiedenen
europäischen Staaten in Alpbach (Österreich) zur ESA Sommerschule "Mission
zum Mond" zusammenkamen. Am Ende des zehntägigen Workshops präsentierten
zwei Gruppen dem wissenschaftlichen Direktor der ESA, Dr. Roger Bonnet, und
anderen hoch gestellten Vertretern der europäischen Raumfahrtvereinigung ihre
Ergebnisse. Nach dieser Präsentation forderte Dr. Bonnet die Teilnehmer der
Sommerschule heraus, einen kleinen Mondorbiter zu bauen. Der LunarSat
Vorschlag war die Antwort der Alpacher Teilnehmer auf diese Herausforderung.
4.2 Mehr über die Geschichte
1996: Interesse wird geweckt ...
Im Oktober 1996 wurde der LunarSat Vorschlag dem ESA-Komitee für langfristige
Raumfahrtpolitik (LSPC) in Paris präsentiert. Das Ergebnis war, dass der ESA-Rat
und der ESA-Generaldirektor im Dezember 1996 empfahlen, dass zwischen
LunarSat und der EuroMoon-Initiative eine Kooperation in Betracht gezogen
werden sollte. Bei der Dezember-Konferenz genehmigte der ESA-Rat eine
Anfangsstudie zum EuroMoon-Konzept.
1997: Die LunarSat - EuroMoon Kooperation
Das Kernteam von EuroMoon, welches in ESA-ESTEC stationiert war und aus
Vertretern der wichtigsten europäischen Raumfahrtgesellschaften (ESA-ESTEC,
ESA-ESOC) und zwei Mitgliedern des LunarSat-Teams bestand, führte die
Machbarkeitsstudie zu EuroMoon zwischen April 1997 und März 1998 durch. Das
Institut für Aeronautik an der Technischen Universität München entwickelte sich
zum technischen Zentrum des LunarSat-Projekts. Unterstützt durch die lokale
Raumfahrtindustrie arbeitete ein wachsendes Team von Professoren, Forschungsassistenten und Studenten seit beinahe Beginn des Jahres 1997 an LunarSat. Die
Münchner Technikergruppe wurde durch mehrere Mitglieder der Alpbacher
Gruppe aus verschiedenen europäischen Staaten unterstützt.
1998: Ein sich entwickelndes Team
Die wissenschaftlichen Arbeiten wurden durch das schwedische Institut für
Weltraumphysik in Uppsala koordiniert. Dieses Institut wurde im Wesentlichen
das wissenschaftliche Zentrum für das LunarSat-Projekt. Ende März 1998
entschied der ESA-Rat das EuroMoon-Projekt zu stoppen. Als Konsequenz wurde
eine Weiterführung des LunarSat-Projekts sowohl durch ein Team an der Surrey
Universität (Großbritannien) als PI-Gruppe als auch dem ursprünglichen Lunar-Sat
Team verfolgt.
Vorbereitender Besuch, Comenius Aktion 1
15. – 17. Oktober 1999
Die europäische Mondmission mit Mikroorbiter
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Jänner 1999: Technisches OK erhalten
Bis im Februar 1999 war die Studie zu Phase B abgeschlossen. Sie zeigte deutlich
die Machbarkeit des gesamten Projekts. Der Überprüfungsprozess der ESA wurde
beendet und nach Zeitplan sollte Phase C/D im Juni 1999 begonnen haben. Das
heißt, dass die ersten Hardwarekomponenten ihre endgültige Gestaltung erreicht
hatten und das Team mit dem Bau der einzelnen Komponenten beginnen sollte.
LunarSat hatte bereits einen gewissen Bekanntheitsgrad erreicht: Unsere Teams in
München und ESTEC waren bereits schwer mit einem Medienecho "bombardiert"
worden, wie es niemand während der technischen Überprüfungsphase in ESTEC
(Noordwijk, Niederlande) erwartet hatte. Bei dieser Überprüfung erhielt die
technische Gestaltung des Orbiters die nötige Zustimmung.
März 1999: In Erwartung der Entscheidung des ESA-Rates
LunarSat sollte, so das Ergebnis einer Konferenz hoher ESA-Funktionäre, ein
Milleniums-Projekt sein. Im April 1999 wurde LunarSat dem ESA-Rat präsentiert,
worauf die endgültige Genehmigung zur Fortsetzung und somit zum Übertritt in
Phase C/D erwartet wurde. Der ESA-Rat entschied aber, in der März-Konferenz
nicht über LunarSat abzustimmen und verschob die Entscheidung darüber bis Mai,
dann bis Juni.
August/September 1999: EXPO 2000!
Zu dieser Zeit sind die technischen Details für LunarSat weiter verbessert worden
und detaillierte Arbeitspläne für die nächsten zwei Jahre liegen vor. Dies schließt
auch die PO/E Aktivitäten mit ein. Der genau Zeitpunkt und die Bedingungen für
die erste Zusammenkunft der Lehrer in Hinblick auf EducationalPackage ist
ebenfalls festgelegt.
Das bayrische Landesministerium für Wirtschaft, Verkehr und Technologie gab
bekannt, dass LunarSat auf der Weltausstellung 2000 in Hannover präsentiert
werden wird. Dies ist eine große Ehre für das Projekt.
Oktober 1999: EducationalPackage-Projekt fortgesetzt, REX-Hardwaretests
Diesen Monat fand der erste Vorbereitende Besuch statt: Lehrer aus Italien,
Deutschland und Österreich kamen zusammen, um das erste Kernteam für die
EducationalPackage-Initiative zu bilden.
Das REX-Team in Uppsala begann, erste Hardwaretests und anfängliche Experimente am Erdboden in Zusammenhang mit ihrer LunarSat-Komponente zu starten.
Derzeitiger Stand:
Die Organisation des Projekts ist bereits
jetzt ziemlich komplex. Die PO/EAbteilung mit ihren Büros in Innsbruck
und Noordwijk ist als Untergruppe der
Technischen
Universität
München
zugeordnet.
LunarSat und EducationalPackage wurden und werden auch weiterhin auf
diversen Ausstellungen und Konferenzen vorgestellt und präsentiert.
Vorbereitender Besuch, Comenius Aktion 1
15. – 17. Oktober 1999
Die europäische Mondmission mit Mikroorbiter
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4.3 Ziele der Mission
Sie können in zwei Kategorien eingeteilt werden:
1. Bildungsziele:
Die Aktivitäten im Bildungsbereich zielen darauf ab
• Menschen außerhalb des Projekts einzubinden, und zwar hauptsächlich in
Europa (Ermöglichung eines Identifikationsprozesses)
• das öffentliche Bewusstsein zu erhöhen, und zwar in Bezug auf
die Planetologie, die Wissenschaft des Mondes und des Weltraums allgemein
die LunarSat-Mission und das europäische Raumfahrtprogramm
• öffentliche Unterstützung hervorzurufen und umfassende Berichterstattung zu
allen Aktivitäten des Projekts zu ermöglichen.
• jungen Fachleuten praktische Erfahrung in einem kleinen Raumfahrtprojekt zu
ermöglichen
• Kenntnisse im Design, im Managementprozess und in der Administration eines
Raumfahrtprojekts zu gewinnen
• den Informationsaustausch via Netzwerken (Internet, E-Mail) zu benützen und
zu forcieren
Unser Ziel ist es, mehr als 50 000 junge Leute in die LunarSat-Mission einzubeziehen. Unsere Aktivitäten werden daher nicht durch das Niveau der
Universitäten begrenzt werden, sondern sollen sowohl Schüler als auch Studenten
einbinden. Wie auch immer, die Möglichkeit Ergebnisse der Weltraumwissenschaft
zu übernehmen, wird nicht übersehen werden und die Qualität der mitgeführten
Instrumente wird dieses Ziel wiederspiegeln.
2. Wissenschaftliche Ziele:
Die Mission wird die Südpolregion des Mondes untersuchen (auch in Hinblick auf
ihre Eignung für einen extraterrestrischen Außenposten). LunarSat soll unser
Wissen über diese Region erweitern. Besonders hoch aufgelöste Bilder (am Pol mit
3 m/pixel, 90% der Mondoberfläche mit weniger als 15 m/pixel) sind ein Teil der
erwarteten Resultate, eine Karte über die Beleuchtungsverhältnisse am Pol über ein
Mondjahr ist ein anderer Teil (LunarSat wird einerseits nach ständig beleuchteten
Gebieten, andererseits aber nach ständig abgeschatteten Gebieten, wo sich
Wassereis befinden könnte, suchen.).
Außerdem wird die Exosphäre unseres Nachbars im Weltraum erforscht werden,
bevor sie durch die menschlichen Expeditionen gar zu stark verschmutzt ist. Und
schließlich werden auch noch neue Daten über die Magnetosphäre und das
Gravitationsfeld des Mondes erwartet.
Dabei setzt LunarSat in mehrfacher Hinsicht neue Standards, darunter fallen:
• Es wird die erste (West-) europäische Mondmission sein.
• Der Satellit wird das erste Mikroraumschiff außerhalb eines Erdorbits sein.
• Eine neuere Flugbahn vom geosynchronen Transferorbit (GTO) um die Erde
zum Mond wird eingesetzt werden.
• Die ganze Mission (inklusive Start und Betrieb) soll nicht mehr als 15 Mill. Euro
kosten.
Vorbereitender Besuch, Comenius Aktion 1
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Die europäische Mondmission mit Mikroorbiter
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4.4 LunarSat's Reise durch das All
1. Start und erste Erdumkreisungen (LEOP)
LunarSat wird sozusagen "huckepack" mit dem Ariane V ASAP System in einen
vom primären Kunden abhängigen GTO gebracht werden.
Charakteristiken des GTO:
•
Perigäumshöhe: 620 km
•
Inklination: 7°
•
Apogäumshöhe: 35 786 km
•
Argument des Perigäums: 178°
Die Bedingungen, die erfüllt werden müssen, um diese "billige" (Kosten: ca. 1 Mill.
Euro) Startmöglichkeit zu nutzen, sind:
• Größe: 600 × 600 × 800 mm3
• Gewicht: 100 kg
• Massenmittelpunkt weniger als 5 mm entfernt vom geometrischen Mittelpunkt
• Trägheitsmomente < 10 kg*m2
• Resonanzfrequenzen: lateral > 50 Hz, longitudinal > 90 Hz
Diese erste Phase wird ungefähr drei Tage dauern; während dieser Zeit wird der
Status der Raumsonde überprüft. Die Phase muss wegen der sehr aggressiven
elektro-magnetischen Umgebung in Erdnähe (Van-Allen-Gürtel) so kurz wie
möglich gehalten werden.
2. Transferorbit zum Mond (LTO)
Im Perigäum zündet LunarSat die Treibwerke, um in den Transferorbit zu
gelangen.
Eine ganze Reihe von Strategien für den Transfer zum Mond wurden untersucht,
wobei ein möglichst geringer Treibstoffverbrauch im Vordergrund stand.
Der klassische zwei-Impuls-Transfer wird wahrscheinlich nicht möglich sein, da
die nötigen Treibstoffmengen nicht mitgeführt werden können. Darum wurden
verschiedene drei-Impuls-Transferorbits untersucht:
Bi-elliptischer Transfer à Erde-Sonne WSB Transfer à
Erde-Sonne, Erde-Mond WSB
Transfer
Apogäumsentf. ~900000 km
LTO Apogäum Manöver
Hyperbolische Ankunft
Apogäumsentf. ~1,2 - 1,5 Mio km
LTO Apogäum Manöver ja/nein
Elliptische/Hyperbolische Ankunft
Apogäumsentf. ~1,2 - 1,5 Mio km
LTO Apogäum Manöver ja/nein
Hyperbolische Ankunft
Vorbereitender Besuch, Comenius Aktion 1
15. – 17. Oktober 1999
Die europäische Mondmission mit Mikroorbiter
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Die für die Manöver nötigen Beschleunigungen (Treibstoff!) wurden dahingehend
berechnet, dass das Geschwindigkeitsäquivalent (gleichmäßige Beschleunigung) im
Bereich zwischen 1 180 m/s und 1 280 m/s liegt. Die für den Transfer vom GTO
zum Mondorbit nötige Zeit beträgt maximal 90 Tage. Der WSB-Transfer kann vom
Ariane-5 GTO aus ohne Einschränkungen durch das Startdatum erfolgen.
Während dieser Phase werden als Teil des Bildungsprojekts "Earth Views" Bilder
der Erde von verschiedenen Punkten aus aufgenommen.
3. Eintritt in den Mondorbit
Die Raumsonde wird in einen Mondorbit gebracht werden, dessen Periluneum
nahe des Mondsüdpols liegt. In dieser Phase werden alle Systeme und Instrumente
vorbereitet (speziell fahren zum Beispiel die 5 Meter langen Antennen aus) und es
bieten sich die ersten Möglichkeiten Bilder aus der Nähe aufzunehmen, sowie erste
Daten zu sammeln. Ist LunarSat schließlich in einem ersten Mondorbit gefangen, so
kann der endgültige Orbit in mehreren Schritten erreicht werden, in denen zum
Beispiel die Gravitationskräfte von Erde und Sonne ausgenützt werden, um
Treibstoff zu sparen.
Geschlossene Transportkonfiguration
Offene Konfiguration
im Mondorbit (mit
Blick ins Innere)
4. Mondorbit (LO)
Ist der endgültige Orbit erreicht, so werden unter anderem Beobachtungen für das
Projekt "Adopt a crater" gemacht. Dies gibt den Schulen die Möglichkeit, einen
Krater oder ein anderes spezielles Gebiet des Mondes zu "adoptieren", um beim
Missionsbetrieb mit zu helfen und sich um die Daten für Forschungsprojekte zu
kümmern. Die Beobachtungen des Orbiters können durch Beobachtungen von
erdgebundenen Observatorien (kleinen Teleskopen und Schulobservatorien)
begleitet werden. Universitäten werden die Chance erhalten, an den
wissenschaftlichen Beobachtungen und Ergebnissen teilzuhaben.
• Orbitperiode: 4 Stunden (Hauptorbit)
• Exzentrizität: 0,377591
• Große Halbachse: 2 953 km
• Inklination: 90°
• Perigäumshöhe: 100 km
• Argument des Perigäums: 270-330°
• Apogäumshöhe: 2 330 km
• Rektaszension: 0-360°
• Perilun-Geschw.: 1,9169 km/s
In dieser Phase der Mission müssen alle geplanten Experimente realisiert werden.
Die veranschlagte Dauer liegt bei etwa sechs Monaten.
5. "Perilune Dive"
Am Ende der eigentlichen Mission wird das Periluneum des Orbits von 100 km auf
10 km abgesenkt, indem im Apoluneum die Triebwerke kurz gezündet werden
(~15m/s). Noch bleibt LunarSat damit in sicherer Entfernung zur Mondoberfläche.
Vorbereitender Besuch, Comenius Aktion 1
15. – 17. Oktober 1999
Die europäische Mondmission mit Mikroorbiter
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Die Absenkung des Apoluneums wird nicht nur die Auflösung der optischen Bilder
erhöhen, sondern auch die Fähigkeit und Auflösung des Radar-Experiments
verbessern und damit Daten für das Bildungsprojekt "Where is the location of the
water ice?" liefern.
6. Finaler Einschlag
LunarSat wird auf dem Mond einschlagen, nachdem der gesamte Treibstoff für die
Stabilisierung des Orbits verbraucht wurde. Der letzte Rest des Treibstoffs wird
schließlich dazu verwendet werden, um den Einschlagspunkt in einen der
Südpolkrater zu legen. Die Gase (z.B. H2O), die durch den Einschlag freigegeben
werden, können vielleicht auf der Erde spektroskopisch untersucht werden.
4.5 Die Raumsonde
Wie bereits früher erwähnt wurde, mussten in der Planungsphase einige strikte
Bedingungen in die Überlegungen einbezogen werden. Es war eine große
Herausforderung einen Satelliten zu bauen, der mit den festgesetzen
wissenschaftlichen Instrumenten versehen ist, ein Antriebssystem beinhaltet, das
in der Lage ist den Transfer zum Mondorbit und die Stabilisierung des Orbits
während der Operationsdauer zu gewährleisten, und schließlich durfte auch die
nötige Energie nicht vergessen werden, und zwar sowohl elektrische Energie als
auch Treibstoff (LunarSat benötigt etwa 60% seiner "wet mass 1" für Antriebssystem
und Treibstoff).
Die wichtigsten Daten von LunarSat:
•
•
•
•
•
•
•
Masse des Orbiters: 100 kg
Größe: 600 x 600 x 800 mm
Startdatum: 2001
Erwartete Betriebsdauer im Mondorbit: 6 Monate
Startsystem: Ariane 5, Zusatznutzlast
Orbit: polar, elliptisch
Periluneum: Südpol, 100 km
•
-
Wissenschaftliche Nutzlast
CHRIS
WAC
LENA
MAG
REX
SLP
AP
1
"Wet mass" ist die Masse der Raumsonde im betankten Zustand, "dry mass" jene am Ende (aller
Treibstoff verbraucht) der Mission.
Vorbereitender Besuch, Comenius Aktion 1
15. – 17. Oktober 1999
Die europäische Mondmission mit Mikroorbiter
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1. Die wissenschaftlichen Experimente
Die Fragen, für die LunarSat Antworten liefern soll, werden durch mehrere
verschiedene Experimente untersucht werden:
•
CHRIS
CHRIS (color high resolution imaging system), das Kamerasystem für farbige und
hochaufgelöste Bilder, beinhaltet auch die Weitwinkelkamera (WAC), die dieselbe
Elektronik verwendet wie CHRIS aber eine andere Optik. Die technischen
Grundlagen wurden von der ROLIS-Entwicklung für die europäische RosettaMission
abgeleitet.
Das
Kamerasystem
wird
von
der
Deutschen
Raumfahrtgesellschaft (DLR), Berlin, gebaut.
Das LunarSat-Kamerasystem wird hoch aufgelöste (3 m bei einer Entfernung von
100 km), multispektrale und stereoskopische2 Bilder liefern, und zwar von der
Südpolregion des Mondes und von anderen ausgewählten Gebieten. Außerdem
werden die saisonalen Veränderungen der Beleuchtungsverhältnisse in der
Polarregion durch die Mehrzweckkamera im Spektralbereich zwischen 400 nm
(sichtbar) und 1000 nm (infrarot) überwacht werden.
•
MAG
MAG steht für "Magnetometer". Dieses Instrument wird von der Dänischen
Technischen Universität (DTU), Kopenhagen, konstruiert.
Der Magnetometer soll den Sonnenwind und den damit verbundenen Schweif, der
durch den Einfluss des Sonnenwinds auf das Magnetfeld des Mondes entsteht,
analysieren.
•
LENA
LENA ist das Instrument zur Untersuchung der Exosphäre des Mondes. Es wird
vom Space Research Center (SRC) der Polnischen Akademie der Wissenschaften,
Warschau, gebaut und betrieben.
2
Die am häufigsten verwendeten Methoden zur Erstellung von Stereobildern sind, die Bilder einer
bestimmten Stelle
• aus zwei verschiedenen Blickwinkeln zur selben Zeit oder
• aus dem selben Winkel aber zu verschiedenen Zeiten auf zu nehmen. Dies wird bei der
LunarSat Kamera angewendet werden.
Vorbereitender Besuch, Comenius Aktion 1
15. – 17. Oktober 1999
Die europäische Mondmission mit Mikroorbiter
17
LENA soll erstmals die dreidimensionale Verteilung der von der Sonnenstrahlung
inonisierten Na+-Ionen und OH--Ionen analysieren.
•
SLP
SLP steht für "segmented langmuir probe" und ist das zweite Instruments zur
Vermessung des Magnetfelds. SLP liegt in der Verantwortung von ESA-ESTEC,
Noordwijk.
•
REX
REX ist das Instrument zur Radarmessung. Das Experiment wird vom
schwedischen Institut für Extraterrestrische Physik, Abteilung Uppsala (IRF-U)
betreut.
REX wird die Untersuchungen zur Plasmaumgebung des Mondes unterstützen und
auch Informationen über die Oberfläche liefern, sogar über darunter liegende
Materialien und weitere Strukturen in der Nähe des Südpols des Mondes. REX
kann die Dynamik des Plasmas, Strukturen und Emissionen leicht überwachen,
und zwar sowohl passiv (in-situ Methoden) also auch aktiv. Speziell die
Ausdehnung und Struktur der Ionosphäre des Mondes kann ermittelt werden.
•
AP
AP steht für "ambassador payload". Es ist nicht wirklich ein wissenschaftliches
Experiment, da es keine technischen oder wissenschaftlichen Ziele erfüllt. Es ist
ein PO/E-Projekt.
2. Das Antriebssystem - die Kunst ein Raumfahrzeug zu bewegen
Der Transport in den Mondorbit und die Manöver
zur Höhenkontrolle während der Betriebsphase
von LunarSat erfordern (im schlimmsten Fall) ein
Geschwindigkeitsäquivalent von 1 300 m/s. Diese
Manöver werden durch ein duales Antriebssystem
ausgeführt. Duales Antriebssystem heißt, die
Haupttriebwerke (zwei Brennstoffkomponenten)
und die Lagetriebwerke (nur einen Brennstoff)
verwenden denselben Treibstoff (Hydrazin).
Vergleichsstudien betreffend des Einflusses der
Schub- und Haupttriebwerksmasse auf den
Schwerkraftverlust während den Einspritzzündungen mündeten in der Auswahl eines aus
vier Triebwerken (Pulsbetrieb) bestehenden
Antriebssystems. Das vorgeschlagene Grundsystem des Antriebs setzt sich aus vier
22N-Haupttriebwerken
und
zwei
1N-Stoßtriebwerken,
sowie
einem
druckregulierten Treibstoffsystem zusammen.
KM R-6CSR (22 N Triebwerk)
Standardventile
Treibstoffe: N2H4 (Hydrazin) à Brennstoff
N2O4 (NTO) à Oxidationsmittel
Mischverhältnis: 1,164
Spezifischer Impuls: 289s (295s max.)
Minimum Impuls Bit< 20 mNs
Flugerprobt in Flugzeugen, Raketen, Satelliten
Dasa CHT 0.5 (1 N Hydrazin-Triebwerk)
Standardventile
Treibstoff: N2 H4 (Hydrazin)
Spezifischer Impuls: 225s
Minimum Impuls Bit 43 mNs
Flugerprobt in > 300 Fällen bis Mitte 1999
Vorbereitender Besuch, Comenius Aktion 1
15. – 17. Oktober 1999
Die europäische Mondmission mit Mikroorbiter
18
Das druckregulierte Treibstoffsystem besteht aus:
•
zwei in Serie geschaltete Hydrazin-Tanks, sowie zwei NTO-Tanks ebenfalls in Serie, wobei
jeder Tank ein System für Treibstoffmanagement beinhaltet (zur Ausgabe des Treibstoffs bei 0g
= keine Schwerkraft)
•
einem Hochdruck-Helium-Tank, um in den Treibstofftanks den nötigen Druck aufrecht erhalten
zu können.
•
einen Druckregulator
•
pyrotechnische Ventile, Kontrollventile, Rohre, Druckmesser und Filter für die Kontrolle der
Treibstoffzufuhr
•
Temperatursensoren an kritischen Punkten
•
Heizer
3. Lagebestimmungs- und Kontrollsystem (ADCS) Wie bewegt sich ein Raumfahrzeug im All?
Das ADCS regelt die Lagebestimmung der Sonde im Raum, stabilisiert und steuert
sie trotz interner und externer Störungen, die auf sie einwirken.
Für ADCS sind alle Subsysteme wichtig und stellen Anforderungen, besonders:
•
Die wissenschaftlichen Instrumente (besonders die Kameras) müssen stets zur
Mondoberfläche zeigen beziehungsweise zur Erde, um verschwommene Bilder
zu vermeiden.
•
Das Energiesystem benötigte die Ausrichtung der Sonnenkollektoren in
Richtung zur Sonne, um Elektrizität erzeugen zu können.
•
Die Kommunikations-Subsysteme erfordern zum Senden und Empfangen der
Hauptdaten die Ausrichtung der Hochleistungsantenne in Richtung der Erde.
LunarSat wird während der ganzen Mission über drei Achsen stabilisiert, und zwar
nicht nur während der LO Betriebsphase, sondern auch während den
verschiedenen Manövern. Die Sonde verwendet Sensoren ("Augen und Ohren")
und Stellglieder ("Muskeln"), um sich im Raum zu orientieren und sich in der
gewünschten Position zu halten, auch wenn externe Störungen (wie
Sonnenstrahlung oder aerodynamische Reibung) oder interne Störungen (wie Mastund Antennenvibrationen oder Treibstoffverbrauch) auftreten.
Die für die Lagebestimmung wichtigen
Sensoren sind:
•
ein Sonnensensor
•
ein Sternsensor
•
3 Laser-Kreisel
Die Stellglieder für die Kontrolle sind:
•
•
•
4 Haupttriebwerke
2 Lagetriebwerke
3 Reaktions-Räder (0.2 Nm)
Um die einlangenden Informationen (über den Missionsstatus oder von den
Sensoren) zu koordinieren, wurden zehn entsprechende Reaktionskommandos
identifiziert, ausgearbeitet und in Simulationsmodelle implementiert, um die
Raumsonde alle nominellen Missionshandlungen ausführen zu lassen. Der
Bordcomputer (OBC) hat dann die entsprechenden Algorithmen auszuführen.
Die Routinekommandos sind:
•
Drehen
•
Erste Lagebestimmung
•
Zielerfassung
•
Sonnensuche
•
Sättigungsreduktion
Die Kontrollkommandos sind:
•
Stabilisieren
•
Kontrolle während Feuerung
•
Inertiale Ausrichtung
•
Punktausrichtung
•
Sonnenausrichtung
Vorbereitender Besuch, Comenius Aktion 1
15. – 17. Oktober 1999
Die europäische Mondmission mit Mikroorbiter
19
Das ADCS-Team kann genau vorhersagen, wie sich das Raumfahrzeug verhalten
wird, wenn bestimmte Triebwerke feuern. Es ist ihre Aufgabe, alle Möglichkeiten
zu errechnen und die Reaktionen von LunarSat folglich sehr genau zu kennen.
4. Das Energiesystem – Elektrizität: der unsichtbare Treibstoff
Das Energiesystem von LunarSat hat die elektrische Energie für LunarSat zu
produzieren und zu verteilen. Die produzierte Energie muss natürlich auch
kontrolliert und reguliert werden. Eine Spitzenleistung von 100 W ist dabei zu
gewährleisten und das vorgegebene Gewicht von ca. 5 kg sollte nicht überschritten
werden.
Das LunarSat-Engeriesystem verwendet eine 28 V +/- 1% regulierte Busarchitektur,
hitzeresistente BCRs und BDRs, interne Nebenanschlüsse und GaAs Solarzellen
(h=19.2%), sowie eine Nebenbatterie, die aus 4 parallelen Reihen mit jeweils sechs
in Serie geschalteten 1,5 Ah Lithium-Ionen-Zellen besteht. Wegen der
Massenbeschränkung wurde LunarSat derart geplant, dass es die erste Sonde ist,
deren Batteriespeicher nur auf den Lithium-Ionen-Zellen beruht.
Die veranschlagte Energiekapazität ist in der Größenordnung von 130 Wh. Um die
entsprechenden Kosten so niedrig wie möglich zu halten, ist die Verwendung von
kommerziellen Bestandteilen (COTS) vorgesehen, wodurch der Einsatz von teurer,
strahlungsunempfindlicherer Elektronik minimiert wird. Die sorgfältige Planung
der Mission und der Anordnung der intenen Komponenten soll die Strahlungsdosis
für die kommerzielle Elektronik akzeptabel niedrig halten.
5. Kommunikation & GNC Systeme
Das
Kommunikations-Subsystem
basiert
auf
einem
kohärenten
Transponderkonzept. Ein Paar omni-direktionaler Antennen wird für die UplinkKommandos eingesetzt und eine spezielle Konfiguration von Übertragungsantennen für den Telemetrie-Downlink. Für die Übertragung mit hohen Datenraten
wird eine Anordnung von vier S-Band-Antennen verwendet. Für die Übertragung
mit geringerer Datenrate und im Sicherheitsmodus (während Manövern und im
Notfall) ist eine Informationsabstrahung in alle Richtungen möglich. Die gewählte
Konstruktion ermöglicht relativ hohe Datenraten und die Kompatibilität mit ESA /
CCSDS bei geringen Kosten, geringem Entwicklungsrisiko und geringer Masse.
Der Entwurf des Subsystems basiert auf der Verwendung von 15m S-Band
Basisstationen. Beim Downlink werden Datenraten im Bereich von 224 kbits/s
möglich sein, beim Uplink im Bereich von 250 bps. Um Kosten bei den
Basisstationen zu sparen, ist der Gebrauch von kleineren Basisstationen möglich,
natürlich sind dann nur mehr geringere Telemetrie-Datenraten erreichbar. Der
Downlink zu kleineren Stationen wird durch bestimmte Regulierungsmoden und
spezielle Techniken für die Datenkompression der Telemetriedaten, die in der
TM/TC-Elektronik-Hardware implementiert sind, unterstützt.
6. Onboard data handling system (OBDH)
Das Ziel des OBDH-Subsystems ist es, die Sonde autonom in ihrer elliptischen
Mondumlaufbahn zu manövrieren, Telemetriedaten zu sammeln, anzuordnen und
zur Erde zu senden, Daten zu überwachen und zu verwalten, Befehle zu
empfangen, zu dekodieren und weiterzuleiten und auch Lage- und Zeitinformationen an die wissenschaftlichen Instrumente zu liefern. Das Herz des
OBDH ist die Datenkontrolleinheit (DCU). Für Telemetrie- (TM) und
Vorbereitender Besuch, Comenius Aktion 1
15. – 17. Oktober 1999
Die europäische Mondmission mit Mikroorbiter
20
Telekommando- (TC) Funktionen wird LunarSat den TM/TC-Chipsatz, welcher von
der ESA entwickelt wurde, verwenden. Diese Hardwarelösung ermöglicht es der
DCU Kommandos auszuführen, zu sammeln und Sondeninformationen zu
übermitteln, ohne vom Bordcomputer abhängig zu sein, was die Betriebssicherheit
des Systems erhöht.
Das Herz des Bordcomputers (OBC) wird ein ERC32-Prozessor (identisch mit einem
SPARC V7 Prozessor, aber durch die ESA mit zusätzlichen Funktionen versehen)
sein. Es wird kein Hauptspeicher benötigt, da jedes Instrument seinen eigenen hat.
Das Betriebssystem und alle Anwendungssoftware wird in EEPROMs gespeichert
werden, welche vom ERC32 reprogrammiert werden können. Alle relevanten Daten
werden auf SRAM-Chips gespeichert. 512 Kbyte ROM und 4 Mbyte RAM wurden
als ausreichend angesehen. Analoge und digitale Signale werden von der
entsprechenden Einheit (ADAU) abgefragt und entweder an den OBC oder direkt
an den TM/TC-Chipsatz (zur sofortigen Übertragung) weitergeleitet.
Wegen den strengen Bestimmungen in Bezug auf die Masse wurde die gesamte
DCU in einfacher Weise konstruiert. Ein Mikrokontroller wurde daher hinzugefügt,
um als Notfallssicherungssystem zu dienen, wodurch auch bei einem kurzzeitigen
Ausfall des ERC32 zumindest ein Minimum an Kontrolle über den Satelliten
gewährleistet ist.
7. Die Operationszentrale und Basisstationen –
die unsichtbare Verbindung zum Satelliten
Mission-operations umfasst alle Aktivitäten nach dem Start, und zwar sowohl auf
der Erde als auch an Bord der Sonde, und ist für das Erreichen der Missionsziele
verantwortlich. Es ist das Gehirn und gleichzeitig die Schnittstelle zwischen
Mensch und Maschine.
Für Operations sind die wichtigsten Systeme:
•
Das Kommunikations-Subsystem
•
Das OBDH-Subsystem
•
Das Basissegment: Die Teilbereiche (Hardware und Kontrollsoftware) müssen
optimal zusammenarbeiten, damit die Missionsziele erreicht werden.
Mission-control bedient die Subsysteme durch TCs und erhält mehrmals täglich
Informationen über die Lage der Sonde durch TM.
Die Vorbereitung der Operation beinhaltet einerseits die Vorbereitungen und
Überprüfung des gesamten Basissystems auf der Erde, andererseits aber auch die
Analyse und Planung der Missionsfortschritte nach dem Start. Das Operationsteam
spielt eine entscheidende Rolle bei der "Übersetzung" wissenschaftlicher und
technischer Erfordernisse in die Sprache der Sonde.
Das Basissystem besteht aus einigen grundlegenden Elementen:
•
Basisstationen: TM zum Kontrollzentrum und TC zur Sonde, beide durchlaufen
die Basisstation. Außerdem wird die Position des Raumfahrzeugs durch die
Basisstationen verfolgt, und zwar mit Hilfe zweier Techniken: Radar (Ergebnis:
Entfernung zur Sonde) und Doppler (Geschwindigkeitsvektor der Sonde).
•
Kommunikationsverbindungen
•
Das Kontrollzentrum für LunarSat wird folgende Software und damit
zusammenhängende Hardware verwenden:
Kontrollsystem, dass die TM verarbeitet und die TCs ausgibt
Planungssystem
Vorbereitender Besuch, Comenius Aktion 1
15. – 17. Oktober 1999
Die europäische Mondmission mit Mikroorbiter
-
-
21
Flugüberwachungssystem, dass die Position und Lage der Sonde berechnet.
Unter Verwendung der Tracking-Daten der Basisstationen wird der geflogene
Orbit rekonstruiert, außerdem können spätere Positionen vorhergesagt
werden. Dieses System hilft auch bei der Vorbereitung von Manövern zur
Bahnänderung oder Stabilisierung der Umlaufbahn.
Datensystem, durch welches die Daten der wissenschaftlichen Instrumente
zu den Endverbrauchern (den Wissenschaftler, welche die Experimente
entwickelten, der wissenschaftliche Gemeinschaft und schließlich auch
Euch) gelangen.
Um die Sonde während kritischen Phasen (z.B. Manövern) zu kontrollieren, ist der
Einsatz des Netzwerks von Basisstationen der ESA geplant. Es besteht aus 4
Stationen in:
•
•
•
•
Kourou, Franz. Guyana
Perth, Australien
Redu, Belgien
Villafranca, Spanien
Diese Basisstationen sind ein wichtiger Kostenfaktor. Sie sind nötig, um mit der
Sonde zu kommunizieren und deren Position zu erhalten, aber sie sind auch sehr
teuer. Darum wird LunarSat das ESA-Netzwerk für geringere Prioritäten
verwenden: Dieses Netzwerke wird LunarSat zur Verfügung stehen, wenn es nicht
von wichtigeren Kunden gebraucht wird. Diese Lösung ist nicht so teuer, kann aber
die Tracking-Erfordernisse nicht erfüllen. Darum werden zurzeit andere
verwendbare Stationen gesucht. Weiters wird die Möglichkeit der Aufrüstung von
kleinen 2,4 m Antennen überprüft, um bessere Downlinkraten und auch
Positionsbestimmungen zu ermöglichen.
8. Konstruktion und Analyse
Ein Raumfahrzeug besteht allerdings nicht nur aus einzelnen Subsystemen. Diese
müssen so zusammengefügt werden, dass die strengen Restriktionen erfüllt sind.
Stellen Sie sich vor, Sie müssten Instrumente, einen Computer, eine starke Batterie,
Solarzellen und viele andere Dinge in die Größe eines Kühlschranks
zusammenpacken - das ist die Arbeit des Konstruktionsteams.
Doch damit nicht genug, es sind noch einige Analysen durchzuführen.
Zum Beispiel zeigte die thermische Analyse, dass der schlimmste Fall hinsichtlich
Kälte (WCC) auftritt, wenn LunarSat sich vier Stunden im Mondschatten bewegt.
Die thermischen Kontrollsysteme müssen diese extreme Situation meistern
können, ansonsten könnte während dieser Zeit beispielsweise der Treibstoff
einfrieren. Die andere Extremsituation (WCH) tritt auf, wenn während der LTOPhase die Schubdüsen und Triebwerke für ca. 900 Sekunden durchgehend feuern.
Wird es den Instrumenten oder anderen Geräten dabei zu heiß, kann die ganze
Mission fehlschlagen.
Eine weitere wichtige Analyse kümmerte sich um die Struktur der Sonde. Resultate
daraus sind die Resonanzfrequenzen von LunarSat: lateral = 55,1 Hz und
longitudinal = 266,5 Hz, was mit den ASAP-Bedingungen übereinstimmt.
Vorbereitender Besuch, Comenius Aktion 1
15. – 17. Oktober 1999
Die Öffentlichkeitsarbeit
22
5 Die Öffentlichkeitsarbeit
Da LunarSat möglichst viele Menschen, insbesondere 50 000 Jugendliche,
ansprechen soll, initiierte das Projektteam folgende Projekte:
EducationalPackage
Das Ziel des EduactionalPackage ist es ein Paket zu schaffen, welches ein
"Multimedia-Physikbuch" und Versuchsanleitungen zum Thema Astronomie und
Raumfahrt in der Schule enthält. Als Medien wollen wir
- neben den
herkömmlichen wie Overhead-Folien – Dias, Video, Computer und Internet
verstärkt verwenden. Die teilnehmenden Lehrer und das EducationalPackage-Team
von LunarSat werden die Unterrichtshilfsmittel selbst erstellen und unter anderem
auf der Webseite veröffentlichen. Die Erfahrungsberichte der Lehrer und Schüler
bei der Durchführung der Versuche werden ebenfalls dort zu finden sein. Bis jetzt
haben wir interessierte Schulen in Österreich, Deutschland, Italien und Spanien,
sind jedoch bestrebt Schulen aus jedem ESA-Mitgliedsstaat einzubeziehen. In der
Endphase sollen 500 Schulen teilnehmen.
Wir wollen die Durchführung der Experimente in drei Phasen einteilen:
• Phase 1: Das Experiment wird an jeder Schule vom Anfang bis zum Ende
durchgeführt.
• Phase 2: Bilateral: Eine Schule führt den ersten Teil des Experiments durch und
schickt ihre Ergebnisse an eine weitere Schule, die dann mit den
Ergebnisse weiterarbeitet.
• Phase 3: International: Selbe wie Phase 2, jedoch so ausgeweitet, dass das
Experiment in mehreren Teilen durchgeführt wird.
In der Astronomie kommt es selten vor, dass der Beobachter seine Daten auch
selbst auswertet, mit der eben erwähnten Methode wollen wir das auch den
Schülern vermitteln.
Nach der Durchführung eines Experimentes soll der Lehrer uns seine Erfahrungen
senden. Am Ende des Projekts werden wir ein Paket haben, das Schulexperimente
enthält, zu einigen davon auch Erfahrungsberichte. Unser primärer Fokus ist die
LunarSat Mission. Das fertige Paket sollte aber auf jede Raumfahrtmission
anwendbar sein.
SpacePinball
Im Moment ist dieses Spiel noch im Aufbau, weshalb der erste Level bisher noch
nicht freigegeben werden konnte.
Beabsichtigt ist, dass dieses Spiel junge Leute im Alter von 12 bis 21 Jahren dazu
motivieren soll, sich mit der Dynamik von Umlaufbahnen und den damit
verbundenen physikalischen Phänomenen (Gravitation) zu beschäftigen. Das Spiel
ist in vier Level mit unterschiedlichem Schwierigkeitsgrad unterteilt.
•
Level 1: Gravitation
Das zu lösende Problem ist: Ein Objekt muss unter einem bestimmten Winkel
abgeschossen werden und sollte einen Ort in einer bestimmten Entfernung (in
gleicher Höhe) erreichen. Die notwendige Anfangsgeschwindigkeit ist zu
bestimmen. Der Spieler sollte sich bewusst werden, dass das Objekt mit einer
Startgeschwindigkeit von 8 km/h eine Erdumlaufbahn erreicht (ohne Reibung!).
Vorbereitender Besuch, Comenius Aktion 1
15. – 17. Oktober 1999
Die Öffentlichkeitsarbeit
23
•
Level 2: Zwei-Körper-Problem (Erde und Raumschiff)
Hier ist eine bestimmte Höhe über der Erdoberfläche gegeben. Die
Geschwindigkeit,
bei der das Raumschiff die Erde in einer Kreisbahn
umrundet, ist ebenso gefragt wie die Geschwindigkeit, mit der das Raumschiff
die Erdanziehung verlassen kann.
•
Level 3: Drei-Körper-Problem (Erde, Mond und Raumschiff)
Ein Raumschiff soll aus einer gegebenen Erdumlaufbahn in eine
Mondumlaufbahn gebracht werden. Dies sollte mit möglichst kleinen (und
wenigen) Beschleunigungen erreicht werden.
•
Level 4: Vier-Körper-Problem (Erde, Mond, Sonne und Raumschiff)
Dies ist der schwerste Level. Wieder startet ein Raumschiff aus einem
gegebenen Erdorbit und soll in diesem Fall einen polaren Mondorbit erreichen.
Eine Lösung mit möglichst wenig Treibstoffverbrauch und gleichzeitig
möglichst geringer Transferzeit soll ermittelt werden und kann dann an den
LunarSat-Server geschickt werden.
MoonCivilization
Wie SpacePinball ist auch MoonCivilization ein Spiel und wie jenes ist es derzeit
noch in der Entwicklungsphase. Der Beginn der ersten Pilotphase ist für das Jahr
2000 geplant.
Das Hauptziel des interaktiven Spiels ist es, den Mond zu kolonisieren (natürlich in
virtueller Weise). "MoonTeams" genannte Gruppe versuchen eine Stadt auf
unserem kosmischen Nachbarn zu konstruieren. Um die dazu nötigen Ressourcen
und die nötige Unterstützung zu erhalten sind genügend "SpaceMiles" (die
Währung des Spiels) nötig, welche durch verschiedene Aktivitäten wie das Halten
von Referate, die Organisation kleinerer Ereignisse, das Suchen bestimmter
Informationen usw. erarbeitet werden können.
EarthViews
Während LunarSats Reise durch den Weltraum sollen Echtzeitaufnahmen der Erde
(hauptsächlich im Internet) veröffentlicht werden. Mit ihrer Hilfe kann die
Raumsonde auf ihrem Weg zum Mond begleitet werden.
Die zu Grunde liegende Idee ist es, eine Verbindung zwischen dem Outer Space
und dem Cyberspace zu schaffen. So basiert auch der Erfolg der USamerikanischen Pathfinder-Mission zum Mars darauf, dass das Projektteam
erfolgreich vermitteln konnte, wie es sein würde, wenn man auf der Oberfläche des
Roten Planeten stünde: 25 Millionen Web-Hits pro Tag waren die Folge.
Ambassador Payload
Es wird beabsichtigt ein kleines Modell des europäischen Kontinents zwischen
zwei Plastikglasplatten zu erstellen. Das Gebiet jedes Staates soll dann mit Sand
aus dem jeweiligen Land gefüllt werden. Dieses Modell soll dann gewissermaßen
als Botschafter Europas die wissenschaftlichen Experimente zum Mond begleiten.
Neben diesen speziellen Aktivitäten wird natürlich auch die klassische
Öffentlichkeitsarbeit von PO/E durchgeführt:
LunarSat wurde bereits im landesweiten Fernsehen von Deutschland,
Großbritanien, Österreich und Schweden präsentiert. Artikeln erschienen bereits in
Vorbereitender Besuch, Comenius Aktion 1
15. – 17. Oktober 1999
Die Öffentlichkeitsarbeit
24
Zeitungen in Deutschland, Frankreich, Großbritanien, Italien, Österreich, Schweiz,
Spanien und Schweden, so dass mehr als eine Million Leser bisher erreicht werden
konnten. Auch auf verschiedenen Ausstellungen und Kongressen war LunarSat
bereits präsent.
Sogar moderne Medien, speziell das Internet, werden dazu verwendet, um
Interesse zu wecken und die Öffentlichkeit bereits in dieser frühen Phase zu
informieren.
Im weiteren Verlauf sind noch viele andere Aktivitäten geplant, zum Beispiel die
Kooperation mit Vereinigungen der Amateurastronomen, eine Wanderausstellung,
ein Echtzeit-Datentransfer während der Betriebsphase von LunarSat und vieles
mehr.
Vorbereitender Besuch, Comenius Aktion 1
15. – 17. Oktober 1999
Das Sonnensystem
25
6 Das Sonnensystem
Unser Sonnensystem ist das einzige, bei dem wir in der Lage sind, es zu erforschen.
Die meisten Informationen, die wir heute haben, stammen aus diesem Jahrhundert,
als die Menschheit begann, Raumsonden zu benutzen, um die Bedingungen auf
unseren kosmischen Nachbarn kennen zu lernen. In den folgenden Abschnitten
wird dieses Wissen über das Sonnensystem zusammengefasst.
6.1 Ein kurzer Überblick
Das Sonnensystem besteht aus der Sonne, den neun Planeten, 66 natürlichen
Satelliten dieser Planeten (Monden), einer großen Anzahl von kleinen Körpern (den
Kometen (kleine eisige Körper) und Asteroiden (kleine steinerne Körper)) und dem
interplanetaren Medium.
Das innere Sonnensystem beinhaltet die Sonne, Merkur, Venus, Erde und Mars.
Nach dem Asteroidengürtel folgen die Planeten des äußeren Sonnensystems:
Jupiter, Saturn, Uranus, Neptun und Pluto.
Durchmesser
Sonne
Merkur
Venus
Erde
Mars
Jupiter
Saturn
Uranus
Neptun
Pluto
Mond
1 392 000 km
4 878 km
12 104 km
12 756 km
6 794 km
142 800 km
120 600 km
50 800 km
28 600 km
» 3 000 km
3 476 km
Masse
30
1,989*10 kg
3,30*1023 kg
4,87*1024 kg
5,98*1024 kg
6,42*1023 kg
1,90*1027 kg
5,69*1026 kg
8,70*1025 kg
1,03*1026 kg
1,33*1022 kg
7,35*1022 kg
Rotationsperiode
25,38 d
58,60 d
243,10 d
23,93 h
24,62 h
9,93 h
10,67 min
» 16,00 h
18,20 min
» 6,40 d
27,32 d
Monde
(Breite: 16°)
0
0
1
2
16
17
5
2
1
-
Die Bahnen der Planeten sind Ellipsen mit der Sonne in einem Brennpunkt, wobei
allerdings alle außer bei Merkur und Pluto beinahe kreisförmig sind. Die Bahnen
befinden sich alle mehr oder weniger in derselben Ebene, welche Ekliptik genannt
wird und durch die Ebene der Erdbahn definiert ist. Die Ekliptik ist gegenüber der
Ebene des Sonnenäquators nur 7 Grad geneigt. Plutos Bahn weicht am meisten
davon ab. Alle bekannten Planeten bewegen sich in derselben Richtung um die
Sonne (im Gegenuhrzeigersinn, wenn man von oben (Nordpol der Sonne)
herabsieht); alle außer Venus und Uranus rotieren auch im selben Sinne.
mittlerer Sonnenabstand num. Exzentrizität
Merkur
57,9*106 km
Venus
108,2*106 km
Erde
149,6*106 km
Mars
227,9*106 km
Jupiter
778,3*106 km
Saturn
1 427,0*106 km
Uranus
2 870,0*106 km
Neptun
4 496,0*106 km
Pluto
5 900,0*106 km
Mond von der Erde: 384,403 km
0,2056
0,0068
0,0167
0,0934
0,0485
0,0556
0,0472
0,0086
0,2460
0,0549
Vorbereitender Besuch, Comenius Aktion 1
Umlaufperiode Bahnneigung
» 88
» 225
1
1,881
11,86
29,46
84,01
164,78
248,6
27,32
d
d
a
a
a
a
a
a
a
d
7
3,4
0
1,85
1,3
2,48
0,77
1,78
17,32
5,15
Grad
Grad
Grad
Grad
Grad
Grad
Grad
Grad
Grad
Grad
15. – 17. Oktober 1999
Das Sonnensystem
26
Eine Möglichkeit, um sich zumindest die relativen Größen im Sonnensystem etwas
besser vergegenwärtigen zu können, ist, sich ein Modell vorzustellen, welches zum
Beispiel um den Faktor 109, also um eine Billion, in der Größe verkleinert wurde.
Dann hat die Erde einen Durchmesser von 1,3 cm (die Größe einer Traube). Der
Mond ist etwa eine Fußlänge entfernt. Die Sonne hat einen Durchmesser von 1,5
Metern (die Größe eines Menschen) und ist 150 Meter (ungefähr ein Häuserblock)
entfernt von der Erde. Jupiter hat einen Durchmesser von 15 cm (die Größe einer
großen Grapefruit) und ist 5 Blocks von der Sonne entfernt. Saturn (die Größe einer
Orange) ist 10 Blocks entfernt, Uranus und Neptun (Zitronen) sogar 20 und 30
Blocks. Ein Mensch in dieser Einheit hätte die Größe eines Atoms; der nächste
Stern wäre 40 000 km weit weg.
Nehmen wir dieselbe Dichte wie in Wirklichkeit, dann würde das Modell der Erde
6 g wiegen, währen die Sonne (1,77 t) mit einem größeren Auto konkurrieren
könnte. Der kleinste Planet Pluto würde sogar schon ein sehr empfindliches
Instrument erfordern, damit sein Gewicht von etwas mehr als 13 mg noch
feststellbar wäre.
6.2 Klassifizierung
Die Klassifizierung dieser Objekte ist Gegenstand kleinerer Kontroversen.
Traditioneller Weise wurde das Sonnensystem unterteilt in Planeten (die großen
Körper, die sich um die Sonne bewegen), deren Satelliten (Monde und andere,
verschiedene große Objekte, die sich um die Planeten bewegen), Asteroiden (kleine
dichte Objekte, die sich um die Sonne bewegen) und Kometen (kleine eisige
Objekte, mit besonders exzentrischen Bahnen). Unglücklicherweise ist das
Sonnensystem komplizierter, als diese Einteilung andeutet:
•
Es gibt einige Monde, die größer als Pluto, und zwei, die sogar größer als Merkur
sind.
•
Es gibt einige kleine Monde, die wahrscheinlich eingefangene Asteroiden sind.
•
Kometen verpuffen manchmal und sind dann nicht mehr von Asteroiden zu
unterscheiden.
•
Die Objekte des Kuiper Gürtels und andere wie Charon passen nicht gerade gut
in dieses Schema.
•
Das Erde/Mond- und das Pluto/Charon-System werden manchmal auch als
"Doppelplaneten" angesehen.
Es werden auch andere Klassifikationen vorgeschlagen, die auf der chemischen
Zusammensetzung und/oder der Herkunft basieren und die physikalisch
stichhaltiger sein sollen. Üblicherweise enden diese Versuche mit entweder zu
vielen Klassen oder mit zu vielen Ausnahmen. Das Ergebnis ist, dass viele der
Körper einmalig sind; unser derzeitiges Verständnis ist unzureichend um klare
Kategorien zu definieren. Die folgenden Seiten enthalten die Einteilungen in
konventionellen Kategorien.
Jene neun Körper, die üblicherweise als Planeten bezeichnet werden, werden oft
noch weiter unterteilt, und zwar auf verschiedene Art und Weise:
durch die Zusammensetzung:
•
terrestrische oder felsige Planeten:
Merkur, Venus, Erde und Mars:
(Manchmal wird sogar der Mond der Erde auf Grund seiner Größe und
Zusammensetzung in dieser Weise klassifiziert.)
Vorbereitender Besuch, Comenius Aktion 1
15. – 17. Oktober 1999
Das Sonnensystem
•
•
27
Die terrestrischen Planeten bestehen hauptsächlich aus Stein und Metall. Ihre
mittlere Dichte liegt zwischen 3,9 und 5,6 kg/dm3 (Erde 5,5 kg/dm 3) und ihre
Gesamtmassen unterscheiden sich nicht allzu sehr von jener der Erde. Sie
weisen eine langsame Rotation, eine feste Oberfläche, keine Ringe und nur
wenige natürliche Satelliten auf.
Merkur und Venus sind sogar die einzigen beiden Planeten, die überhaupt
keinen Mond haben.
Auf Grund der nicht unbedeutenden Wasservorkommen auf Erde (Ozeane) und
Mars (Wassereis an den Polen) werden diese beiden Planeten manchmal auch
als Wasserplaneten bezeichnet.
jovianische Planeten oder Gasplaneten:
Jupiter, Saturn, Uranus, und Neptun:
Die Gasplaneten bestehen hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium und
weisen allgemein niedere Dichten, schnelle Eigenrotation, tiefe Atmosphären,
Ringe und viele Satelliten auf.
Pluto
durch die Größe:
•
kleine Planeten:
Merkur, Venus, Erde, Mars und Pluto.
Die kleinen Planeten haben Durchmesser, die kleiner als 13 000 km sind.
Merkur und Pluto werden manchmal auch als kleinere Planeten bezeichnet
(nicht zu verwechseln mit Kleinstplaneten, was die offizielle Bezeichnung für
Asteroiden ist).
•
Riesenplaneten:
Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun:
Die Riesenplaneten haben Durchmesser größer als 48 000 km und zeigen
wirklich alle ein Ringsystem.
Die Riesenplaneten werden manchmal auch als Gasriesen bezeichnet.
durch die Position relativ zur Sonne:
•
innere Planeten:
Merkur, Venus, Erde und Mars.
•
äußere Planeten:
Jupiter, Saturn, Uranus, Neptun und Pluto.
•
Der Asteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter bildet die Grenze zwischen
dem inneren Bereich des Sonnensystems und dem äußeren.
durch die Position relativ zur Erde:
•
untergeordnete Planeten:
Merkur und Venus:
Sie sind der Sonne näher als die Erde und zeigen deshalb die vom Mond
bekannten Phasen, wenn sie von der Erde aus beobachtet werden.
Sie sind der Sonne so nahe, dass Leben wie auf der Erde wegen der extremen
Bedingungen nicht vorstellbar wäre.
•
Erde
•
übergeordnete Planeten:
von Mars bis Pluto:
Sie sind weiter von der Sonne entfernt als die Erde und erscheinen stets als
(beinahe) volle Scheibe.
Vorbereitender Besuch, Comenius Aktion 1
15. – 17. Oktober 1999
Das Sonnensystem
28
durch die Geschichte:
•
klassische Planeten:
Merkur, Venus, Mars, Jupiter und Saturn:
Sie sind seit prähistorischer Zeit bekannt und mit freiem Auge beobachtbar.
•
moderne Planeten:
Uranus, Neptun und Pluto:
Sie wurden erst in neuerer Zeit entdeckt und können nur mit Teleskopen
beobachtet werden.
•
Erde.
(Dieser Abschnitt basiert auf der Internet-Site www.dkrz.de/~k202045/tnp/nineplanets.htm (Version vom 31.
Juli 1999) von William A. Arnett)
6.3 Einige zusätzliche Details
1. Merkur
Dieser Planet ist der Sonne am nächsten. Darum kann Merkur (mit freiem Auge)
nur kurz nach Sonnenuntergang tief im Westen oder kurz vor Sonnenaufgang tief
im Osten beobachtet werden.
Lange Zeit war praktisch nichts außer der bloßen Existenz des Planeten bekannt.
Nur das Fehlen einer Atmosphäre war ziemlich sicher, da die schwache Gravitation
Merkurs nicht ausreicht, um die Luftmoleküle gegen den stets herrschenden
Sonnenwind zu halten.
Mit besseren Methoden und der unbemannten Raumfahrt (Mariner 10, 1974/75)
wuchs unser Wissen über Merkur. Heute ist die Ansicht einer gebundenen
Rotation3 überholt. Die Rotationsperiode verhält sich zur Umlaufperiode vielmehr
wie 2/3. Das heißt, dass ein Merkur-Tag zwei Merkur-Jahre dauert!
Die Temperaturen auf der Planetenoberfläche sind sehr extrem. Wegen der
geringen Distanz zur Sonne erhält Merkur sechs mal mehr Energie als die Erde.
Darum steigen die Temperaturen während der langen Tage auf 430° Celsius und
fallen in der Nacht auf bis zu -180° Celsius.
Im Großen und Ganzen sieht die Merkuroberfläche der Mondoberfläche sehr
ähnlich. Bilder der Kraterflächen können oft nur von Fachleuten unterschieden
werden.
2. Venus
Der sagenumwobene Nachbarplanet des Merkur hat seit alters her eine
Sonderstellung in der Astrologie und Mythologie eingenommen.
Aber Venus war ebenso interessant und wichtig für "richtige" Wissenschaftler. Auf
Grund ihrer Phasen schloss Galilei, dass die Erde und alle übrigen Planeten um die
Sonne kreisen. Die volle Venus ist immer nur sehr klein und muss daher weit
entfernt sein, während die schmale Sichel im Durchmesser etwa sieben mal größer
ist. Wegen dieser Theorie entgegen dem geozentrischen Weltbild hatte Galilei
einige recht unangenehme Schwierigkeiten.
Ähnlich wie Merkur kann auch die Venus nicht um Mitternacht beobachtet
werden, sondern nur spät am Abend oder früh am Morgen.
Die Venus kann der Erde näher kommen als jeder andere Planet. Trotzdem blieb
das Meiste lange Zeit reine Vermutung, da die dichte Atmosphäre bei
3
Bei einer gebundenen Rotation zeigt immer dieselbe Seite des Planeten zur Sonne.
Vorbereitender Besuch, Comenius Aktion 1
15. – 17. Oktober 1999
Das Sonnensystem
29
Beobachtungen störte. Die sowjetischen "Verena"-Planetensonden (1962, 1970,
1975) und andere sagten dann den Wissenschaftlern, dass auf der
Planetenoberfläche ein Luftdruck von etwa 100 at und Temperaturen von ca. 480°
Celsius herrschen. (Darum arbeiteten die Sonden auch nicht sehr lange, nur etwa
eine Stunde.) Der extreme Treibhauseffekt, der für diese Bedingungen
verantwortlich ist, wird durch den hohen Kohlendioxidanteil (96,5%) in der
Atmosphäre und Schwefelsäuretröpfchen, aus welchen sich die Wolken
zusammensetzen, verursacht.
Die Rotationsperiode der Venus ist 243 Tage, das heißt: Ein Tag auf der Venus ist
um ca. zehn Prozent länger als ein Jahr! Dies war lange Zeit sehr schwer zu messen,
denn die höchste Wolkenschicht wandert meist in nur vier Erdentagen einmal um
den Planeten. Aber während in großen Höhen Orkane mit 1 000 km/s wüten, flauen
die Winde bis zur Oberfläche auf etwa 3 km/s ab.
Wie wir durch Radarmessungen wissen, sieht die Venusoberfläche der
Erdoberfläche (vielleicht in früherer Zeit) sehr ähnlich.
3. Erde
Die Erde ist natürlich jener Planet, den wir am besten kennen.
Es gibt vier Besonderheiten, welche die Erde gegen die anderen Planeten abheben:
a) Die Ozeane:
Diese großen Ansammlungen von flüssigem Wasser sind einzigartig. Die
untergeordneten Planeten haben überhaupt kein Wasser mehr und die anderen
Planeten haben Wasser nur als Eis oder Gas.
b) Leben:
Dies war nur auf diesem einen Planeten möglich, denn nur hier erlaubten die
Bedingungen (genug Wasser, richtiger Druck, richtige Temperatur und
Atmosphärenzusammensetzung) die Bildung der zu Beginn nötigen Molekülketten.
c) Starkes Magnetfeld:
Es hält schädliche Strahlung (UV, ...) ab.
d) Noch aktive Plattentektonik:
Die langsame Verschiebung der Kontinente auf unserem Planeten hat nichts
Entsprechendes auf anderen Himmelskörpern unseres Sonnensystems. Nach dem
heutigen Wissensstand ist die Erde in Schichten aufgebaut (fester innerer Kern mit
1 500 km Radius, flüssiger äußerer Kern mit 2 000 km, fester Mantel mit 3 000 km
und zähflüssigem äußeren Rand und die nur wenige Kilometer dicke Erdkruste, die
auf der unteren Schicht "schwimmt").
4. Mars
Wegen seiner roten Oberflächenfarbe wurde der Planet stets mit Krieg, Blut und
Feuer in Verbindung gebracht (röm. Kriegsgott: Mars). Die menschliche Fantasie
stattete den Planeten wegen einiger undeutlicher Beobachtungen (Marskanäle)
sogar mit einer Zivilisation (Marsmännchen) aus.
Der Mars besitzt eine sehr dünne Atmosphäre (ca. 1/100 at) und eher gemäßigte
Temperaturen (am Äquator: 0° bis -80° Celsius). An den Polkappen existiert sogar
gefrorenes Wasser neben ebenfalls gefrorenem Kohlendioxid.
Im Allgemeinen ist der Mars der Erde sehr ähnlich: Die Oberfläche ist stark
strukturiert, allerdings sind die Strukturen meist um vieles imposanter als auf der
Erde (Valle Marineris, Olympus Mons). Der Mars zeigt ebenfalls Jahreszeiten, wie
wir sie von der Erde her kennen. Ein Tag auf unserem roten Nachbarn ist nur
Vorbereitender Besuch, Comenius Aktion 1
15. – 17. Oktober 1999
Das Sonnensystem
30
wenig länger als ein Erdentag und ein Jahr ist etwa doppelt so lang wie ein
Erdenjahr.
Mars hat zwei Monde, welche möglicherweise eingefangene Asteroiden sind:
Phobos (Umlaufperiode: 7,6 Stunden; kleinstmöglicher Abstand) und Deimos
(Umlaufperiode: 30 Stunden; größtmöglicher Abstand).
5. Der Asteroidengürtel
Dieser befindet sich zwischen Mars und Jupiter und besteht aus etwa 400 000
Planetoiden, die üblicherweise nur wenige Kilometer Durchmesser aufweisen. Die
gesamte Masse des Asteroidengürtels entspricht ungefähr der Mondmasse.
Nur wenige dieser Planetoiden wurden bisher identifiziert und durchnummeriert
(ca. 4 000). Einige der größten sind: Ceres (1 000 km, entdeckt 1801), Pallas (1802),
Juno (1804), Vesta (1807) und Astra (1845).
6. Jupiter
Dieser Planet ist ziemlich leicht am Nachthimmel zu finden. Es ist der größte und
schwerste Planet des Sonnensystems, weshalb er auch einen großen Einfluss auf
die Bahnen anderer Objekte hat.
Jupiter rotiert in 10 Stunden um seine eigene Achse und für eine Umrundung der
Sonne benötigt er 12 Jahre. Jupiter hat 16 Monde (z.B.: Callisto, Ganymed, Io,
Europa). Seine Atmosphäre besteht aus Wasserstoff, Methan und Ammoniak. Der
berühmte rote Fleck (dreifacher Erddurchmesser) ist ein ausgedehntes
Sturmsystem.
Jupiters größte Besonderheit ist aber, dass er mehr Energie emittiert als er von der
Sonne empfängt, und zwar ungefähr doppelt so viel. Die zusätzliche Energie
gewinnt der riesige Planet durch Kontraktion; er schrumpft pro Jahr um etwa einen
Zentimeter.
7. Saturn
Saturn ist wie Jupiter leicht am Himmel zu finden. Er ist nur wenig kleiner als der
größte Planet.
Für seine Rotation benötigt Saturn in etwa 10 Stunden und für einen Umlauf um
die Sonne 30 Jahre. Nahe des Saturn wurden bisher 17 Monde entdeckt, das ist die
größte Anzahl im gesamten Sonnensystem. Die Atmosphäre des Planeten besteht
wie jene des Jupiter aus Wasserstoff, Methan und Ammoniak, aber die Dichte ist so
gering, dass der Planet auf Wasser schwimmen würde.
Das besonders charakteristische Detail ist das Ringsystem. Auch wenn Jupiter und
Uranus ebenfalls ein Ringsystem aufweisen, so ist jenes des Saturn doch das
bemerkenswerteste. Das System besteht aus sieben Hauptringen, welche wieder in
einzelne, schmale Ringe unterteilt sind, weshalb das Ganze einer Langspielplatte
sehr ähnlich sieht.
8. Uranus, Neptun
Über diese äußeren Planeten (auch Pluto) wissen wir nur sehr wenig, da sie derart
weit entfernt sind, dass bisher nur wenige Sonden sie passiert und im Vorbeiflug
untersucht haben.
Die beiden Planeten haben ungefähr denselben Durchmesser und sind damit um
vieles kleiner als Jupiter oder Saturn. Die Masse beträgt ungefähr 14 (Uranus)
beziehungsweise 17 (Neptun) Erdmassen, also nur einen Bruchteil der Masse der
anderen Riesenplaneten.
Vorbereitender Besuch, Comenius Aktion 1
15. – 17. Oktober 1999
Das Sonnensystem
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Uranus zeigt eine Rotationsperiode von elf Stunden und eine Umlaufzeit von 84
Jahren. Fünf Monde umkreisen ihn.
Neptun rotiert in 16 Stunden und benötigt 165 Jahre für einen Umlauf um die
Sonne. Im Gegensatz zu den anderen Riesenplaneten hat Neptun nur zwei
natürliche Satelliten.
9. Pluto
Wegen der Bahnschwankungen von Uranus und Neptun wurde die Existenz eines
weiteren Planeten vermutet. Dieser Planet wurde im Jahre 1930 entdeckt und Pluto
genannt.
Pluto benötigt ganze 250 Jahre für einen Umlauf um die Sonne, wobei seine Bahn
besonders exzentrisch verläuft und die größte Neigung gegenüber der Ekliptik
aufweist. Pluto hat einen Mond: Charon. Es wird vermutet, dass Pluto ein
ehemaliger Mond des Neptun ist.
10. Ein X. Planet?
Die ersten Vermutungen, dass ein weiterer Planet im Sonnensystem existiert, gehen
weit zurück. Sie basieren darauf, dass Pluto eine zu geringe Masse hat, um die
beobachteten Bahnschwankungen zu verursachen. Auch neuere Entdeckungen
haben diesen Spekulationen neuen Auftrieb gegeben. Bisher wurde aber kein
passendes Objekt gefunden. Nur einige lichtschwache Planetoiden ungefähr im
Bereich der Oortschen Wolke konnten entdeckt werden.
11. Meteoriten
Meteoriten sind meist Bruchstücke von Asteroiden oder Kometen, aber teilweise
auch Überreste aus der Zeit, als sich das Sonnensystem bildete.
Wenn Meteoriten auf Planeten oder Monde treffen, die nicht durch eine dichte
Atmosphäre geschützt sind, entstehen Landschaften, wie wir sie vom Mond,
Merkur und Mars kennen. Hat der Planet aber eine dichte Atmosphäre, so verglüht
der größte Teil des Materials und auf der Erde (oder der Venus) wird ein Meteor
sichtbar. Durchläuft die Erde die Spur eines Kometen, so kann es zu richtigen
Meteorschauern kommen.
Ist ein Meteorit sehr groß, so können selbst bei unserer dichten Atmosphäre noch
größere Brocken durchdringen. Sie erzeugen gigantische Einschlagskrater wie jenen
berühmten in Arizona oder enorme Verwüstungen wie in Tunguska (1908), als ein
Meteorit nur wenige Kilometer über der Erdoberfläche explodierte.
12. Kometen
Das Wort Komet entstand aus dem lateinischen Wort für Haar ("coma"), da
Kometen auch Haar- oder Schweifsterne genannt werden (aber natürlich
keineswegs Sterne sind).
Ein Komet besteht aus Kopf und Schweif. Der Kopf wiederum ist aufgebaut aus
einem Kern mit einem Durchmesser von einigen Kilometern und der Koma, einer
Gashülle um den Kern, deren Durchmesser einige tausend Kilometer erreichen
kann. Der Schweif schließlich ist einige Millionen Kilometer lang und stets von der
Sonne weggerichtet.
Wie entsteht der Schweif? Die oberen Schichten des Kometen, die hauptsächlich
aus Eis bestehen, werden durch die Wärme der Sonne abgedampft. Da die
Gravitationskraft der Kometen zu schwach ist, um die abgedampften Gasmoleküle
und mitgerissenen Teilchen zu halten, entweichen diese in den Raum. Der
Vorbereitender Besuch, Comenius Aktion 1
15. – 17. Oktober 1999
Das Sonnensystem
32
schwächer sichtbare Teil des Schweifs besteht aus Gasteilchen und -molekülen. Sie
werden vom Sonnenwind erfasst und in Gegenrichtung zur Sonne fortgetragen. Die
UV-Strahlung der Sonne regt sie zum Leuchten an. Die festen Stoffe, die
mitgerissen werden, sind schwerer und bilden den anderen Teil - den
Staubschweif. Er wird durch reflektiertes Sonnenlicht sichtbar und verbleibt mehr
auf der Bahn des Kometen.
Kometen bewegen sich stets auf sehr exzentrischen elliptischen Bahnen. Sie haben
Umlaufzeiten von drei bis einigen hundert Jahren. Jedes Mal, wenn der Komet in
die Nähe der Sonne kommt, verliert er durch abdampfende Stoffe an Masse.
Irgendwann sind keine abdampfbaren Stoffe mehr vorhanden (Der Komet wird zu
einem dunklen Objekt wie die Planetoiden.) oder die Gravitationskräfte eines
großen Planeten wie Jupiter oder der Sonne selbst stören derart, dass der Komet in
sie hinein stürzt.
Beispiele besonders bekannter Kometen sind
•
der Halleysche Komet: Edmond Halley sagte zu Beginn des 18. Jahrhunderts die
Wiederkehr des Kometen für 1758 voraus, was richtig war. Insgesamt wurde der
Komet, wie wir heute wissen, seit 240 v.Chr. alle 74-79 Jahre mit einer einzigen
Ausnahme beobachtet.
•
Shoemaker-Levy 9: Er stürzte 1994 in den Planeten Jupiter, was mit großem
Interesse beobachtet wurde.
•
Hale-Bopp: Dieser Komet konnte im Frühjahr 1997 am besten beobachtet
werden, als er der Erde mit 200 Millionen Kilometern am nächsten kam. Seine
Umlaufperiode ist zu lange, als dass auch nur unsere Nachkommen seinen
nächsten Besuch beobachten könnten.
Vorbereitender Besuch, Comenius Aktion 1
15. – 17. Oktober 1999
Der Mond
33
7 Der Mond
Der Mond ist der einzige natürliche Satellit der Erde. Er ist, nach der Sonne, das
zweithellste Objekt am Himmel. Da der Mond sich in etwa einem Monat um die
Erde bewegt, verändert sich der Winkel zwischen Erde, Mond und Sonne; wir
sehen dies als Zyklus in den Mondphasen. Die Zeit zwischen zwei aufeinander
folgenden Neumond-Phasen beträgt 29,5 Tage (709 Stunden), leicht
unterschiedlich zur siderischen Umlaufperiode (gemessen gegenüber dem
Sternenhimmel) da sich die Erde in dieser Zeit in signifikanter Weise auf ihrer
Bahn weiterbewegt hat.
Mond Daten
Die Mondkruste ist durchschnittlich 68 km dick und variiert im Wesentlichen
zwischen 0 m (unter Mare Crisium) und 107 km (nördlich des Kraters Korolev auf
der erdabgewandten Seite des Mondes). Unter der Kruste ist ein Mantel und
möglicherweise ein kleiner Kern (mit einem Radius von ungefähr 340 km und 2%
der Mondmasse). Im Gegensatz zum Erdmantel ist jener des Mondes nur teilweise
geschmolzen. Seltsamerweise befindet sich der Massenmittelpunkt nicht im
geometrischen Mittelpunkt, sondern ist etwa 2 km in Richtung der Erde
verschoben. Außerdem ist die Kruste auf der erdzugewandten Seite dünner.
Es gibt zwei dominierende Geländetypen auf dem Mond: die stark verkraterten und
sehr alten Hochländer und die relativ flachen und jungen Mare. Die Mare (welche
ca. 16% der Mondoberfläche ausmachen) sind riesige Einschlagskrater, die später
durch Lava überflutet wurden. Der größte Teil der Oberfläche ist mit Regolith,
einer Mischung aus Staub und bei Meteoriteneinschlägen entstandenen felsigen
Trümmern, bedeckt.
Der Mond führt eine gebundene Rotation aus, wendet der Erde also immer dieselbe
Seite zu. Deshalb sind die meisten Krater auf der erdzugewandten Seite nach
berühmten Personen aus der Wissenschaftsgeschichte wie Tycho, Kopernikus und
Ptolemäus benannt. Geländemerkmale auf der erdabgewandten Seite haben
modernere Bezüge wie Apollo, Gagarin und Korolev (mit einem klaren russischen
Einschlag, da die ersten Aufnahmen von der russischen Sonde "Luna 3" stammen).
Zusätzlich zu den bekannten Merkmalen auf der erdzugewandten Seite hat der
Mond die großen Krater Südpol-Aitken (2250 km im Durchmesser und 12 km tief)
auf der abgewandten Seite, die damit das größte Einschlagsbecken im
Sonnensystem bilden.
Der Mond hat keine Atmosphäre. Aber obwohl dies bisher nicht wirklich bewiesen
wurde, wird in einigen tiefen Kratern der Südpolregion, die niemals von der Sonne
beleuchtet werden, Wasser vermutet. Verschiedene Mondmissionen (Clementine,
Lunar Prospector) sammelten diesbezügliche Informationen und LunarSat wird
dies ebenfalls tun.
Der Mond hat auch kein globales Magnetfeld. Einige der Oberflächengesteine
zeigen aber einen dauerhaften Magnetismus, der zeigt, dass der Mond vielleicht in
einer früheren Phase ein globales Magnetfeld hatte.
Ohne Atmosphäre und Magnetfeld ist die Mondoberfläche dem Sonnenwind direkt
ausgesetzt. In seinen vier Milliarden "Lebensjahren" wurden viele Wasserstoffionen
des Sonnenwinds im Mondregolith eingebettet. Deshalb erwiesen sich die von den
Apollomissionen mitgebrachten Proben als wertvoll für Studien des Sonnenwinds.
Vorbereitender Besuch, Comenius Aktion 1
15. – 17. Oktober 1999
Der Mond
34
Wechselwirkungen zwischen Erde und Mond
Die Gravitationskräfte zwischen Erde und Mond verursachen einige interessante
Phänomene. Der offensichtlichste Effekt ist der Gezeitenwechsel. Ebbe und Flut
entstehen durch die von der Mondanziehung verursachte Störung des
Gravitationsfelds der Erde. Die Auswirkungen des resultierenden, unsymmetrischen Gravitationsfelds sind bei den Ozeanen um vieles stärker als bei der
festen Erdkruste, weshalb die Wasserausbuchtungen um vieles höher sind. Die
Erdrotation trägt die Ausbuchtungen etwas vor die direkte Verbindungslinie
zwischen Erde und Mond.
Das heißt, dass die Kräfte zwischen Erde und Mond nicht genau entlang der Linie
zwischen den Mittelpunkten wirken, was ein Drehmoment auf die Erde bewirkt
und eine Beschleunigung auf den Mond. Dies wiederum bedeutet einen
Nettotransfer von Rotationsenergie der Erde zum Mond, wodurch die Erdrotation
um 1,5 Millisekunden/Jahrhundert abgebremst wird und der Mond in eine um 3,8
cm/Jahr höhere Umlaufbahn gehoben wird.
Die unsymmetrische Weise der gravitativen Wechselwirkung ist auch für die
gebundene Rotation des Mondes verantwortlich. Wie die Erdrotation nun durch
den Mondeinfluss abgebremst wird, so wurde in der Vergangenheit die
Mondrotation durch den Erdeinfluss abgebremst, nur dass dieser Effekt viel stärker
war. Nachdem die Mondrotation mit der Umlaufzeit übereinstimmte (und damit
die Ausbuchtung dauernd in Richtung Erde wies) war kein Drehmoment mehr
vorhanden und somit eine stabile Situation erreicht. Möglicherweise wird die
Erdrotation ebenfalls bis auf eine Mondperiode abgebremst, wie dies im Falle von
Pluto und Charon geschehen ist.
Tatsächlich scheint der Mond etwas zu zittern (wegen seiner nicht ganz
kreisförmigen Bahn), weshalb einige Grad der erdabgewandten Seite von Zeit zu
Zeit sichtbar sind. Der Großteil der restlichen abgewandten Seite war aber, bis er
von der sowjetischen Sonde "Luna 3" fotografiert wurde, völlig unbekannt.
Missionen zum Mond
Der Mond ist natürlich jenes Objekt im Sonnensystem, dass von mehr Raummissionen besucht wurde als jedes andere. In den letzten vierzig Jahren (beginnend
im August 1958) wurden 66 Mondmissionen gestartet (5 von ihnen scheiterten).
Darum werden nur wenige, sehr spezielle Missionen im nächsten Paragrafen
erwähnt werden.
Der Mond wurde als Erstes von der sowjetischen Sonde "Luna 2" 1959 inspiziert. Er
ist der einzige extraterrestrische Körper, der von Menschen besucht wurde. Die
erste Landung erfolgte am 20. Juli 1969, die letzte im Dezember 1972. Der Mond ist
bisher auch das einzige Objekt, von dem Proben auf die Erde zurückgebracht
wurden. Im Sommer 1994 wurde der Mond von der Raumsonde Clementine
umfassend kartografiert. Lunar Prospector war die vorerst letzte Sonde in einem
Mondorbit.
Steine, die eine Geschichte erzählen
Als während des Apolloprogramms Astronauten in der Mondoberfläche gruben,
war dies mehr als ein Wühlen in trockenem, dunklem Gestein. Sie waren
Zeitreisende. Die Steine und Sedimente, die von den Mondmissionen
zurückgebracht wurden, sind Schlüssel zur Vergangenheit, der Entstehung von
Vorbereitender Besuch, Comenius Aktion 1
15. – 17. Oktober 1999
Der Mond
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Erde und Mond, die Art und Zeit der frühen Schmelzen und der Intensität der
Einschläge und deren zeitlichen Variationen und sogar der Geschichte der Sonne.
Die meisten dieser Informationen, entscheidende Punkte in der Geschichte der
Erde, können nicht durch das Studium irdischer Gesteine gewonnen werden, da
unser Planet geologisch zu aktiv ist und die meisten Spuren gelöscht hat. Die
Schlüssel zur Vergangenheit der Erde gingen in Milliarden Jahren durch
Gebirgsbildung, Vulkanismus, Wetter und Erosion verloren. Die kollidierenden
tektonischen Platten und der Regen haben die meisten Zeugen der Erdgeschichte
beseitigt, speziell jene die älter als vier Milliarden Jahre waren. (Die ältesten
irdischen Gesteine sind knappe drei Milliarden Jahre alt, während die meisten
Steine auf der Mondoberfläche zwischen 4,6 und 3 Milliarden Jahre alt zu sein
scheinen.)
Der Mond war in seiner Blütezeit ebenfalls geologisch aktiv. Aber der geologische
Motor war nicht so energisch, dass alle Zeichen früherer Ereignisse ausgelöscht
worden wären. Die Geheimnisse sind in den Kratern, Ebenen und Gesteinen
aufgezeichnet. Diese gaben den Mondwissenschaftlern die Geheimnisse preis, die
enthüllt wurden, seit die Apollomissionen 382 Kilogramm Steine und Sedimente
von unserem Nachbarn zurückbrachten.
Die Entstehung des Mondes
Vor dem Studium der Apollo-Proben gab es keinen Konsens über den Ursprung des
Mondes. Es wurden vor allem drei verschiedene Theorien vertreten:
•
Koakkretion: Mond und Erde entstanden zur selben Zeit aus dem solaren Nebel
•
Spaltung: Der Mond wurde von der Erde abgespalten.
•
Einfang: Der Mond hat sich irgendwo anders gebildet und wurde später von der
Erde eingefangen.
Keine dieser Theorien wollte so recht passen. Neuere und detailliertere
Informationen vom Mondgestein
führten zur Einschlagstheorie: Die Erde
kollidierte mit einem sehr großen Objekt (so groß wie der Mars oder sogar noch
größer) und der Mond bildete sich dann aus dem abgestossenen Material. Es sind
zwar immer noch einige Details zu klären, aber die Einschlagstheorie wird derzeit
weithin akzeptiert.
(Dieser Abschnitt basiert auf der Internet-Site www.dkrz.de/~k202045/tnp/luna.htm (Version vom 9. Aug.
1999) von William A. Arnett)
Vorbereitender Besuch, Comenius Aktion 1
15. – 17. Oktober 1999
Überblick über die Aktionen von Sokrates
36
8 Überblick über die Aktionen des Sokrates-Programms
Umspannt das SOKRATES-Programm auch eine breite Skala von bildungspolitischen Bereichen und Zielen, so weisen die im Rahmen der verschiedenen
Aktionen unterstützten Tätigkeiten dennoch gewisse Gemeinsamkeiten auf. Sie
sind beispielsweise alle "länderübergreifend" ausgerichtet, die meisten von ihnen
sind "multilateraler" Natur, das heißt, es sind mindestens drei Länder an ihnen
beteiligt, und sie verfolgen alle das gemeinsame Ziel, eine "europäische Dimension"
in Lehre und Lernen zu fördern. Das Konzept der "europäischen Dimension" in
diesem Zusammenhang kann sich auf die Lehre über andere, am SOKRATESProgramm beteiligten Ländern beziehungsweise von der Europäischen Union als
solcher, aber auch allgemeiner auf das Zusammentragen der Erfahrungen mehrerer
beteiligter Länder beziehen, was die Qualität des Bildungsangebots erhöht und ihm
somit einen "europäischen Mehrwert" verleiht. Außerdem weisen die unterstützten
Tätigkeiten gewisse strukturelle Ähnlichkeiten auf. Mit den meisten Aktionen des
SOKRATES-Programms werden mehrere der folgenden Ziele angestrebt:
l
Erarbeitung und Förderung länderübergreifender Projekte, Netze, Partnerschaften und Verbände;
l
Entwicklung von Lehrplänen, Modulen, Lehrmaterialien und anderen
Produkten für Bildungszwecke;
l
Austausch und Mobilität von Studenten, in einigen Fällen Schüler;
l
länderübergreifende Kurse und Austauschmöglichkeiten für Lehrpersonal;
l
Besuche zur Erleichterung der Vorbereitung von Projekten und zum Austausch
von Erfahrungen;
l
Studien, Analysen, Erarbeitung von Handbüchern, Sammlung von Daten;
l
Evaluierungstätigkeiten;
l
Verbreitung von Ergebnissen.
Das
SOKRATES-Programm
unterscheidet
sich
von
vorangegangenen
Gemeinschaftsinitiativen dadurch, dass es alle Arten und Ebenen des
Bildungswesens in einem einzigen Programm der europäischen Zusammenarbeit
zusammenfasst. Es unterteilt sich, wie bereits in der Zusammenfassung angegeben
wurde, in "Kapitel" und "Aktionen".
[...]
8.1 Schulbildung (COMENIUS)
COMENIUS bildet die wichtigste Einzelerneuerung des Programms. Sie geht direkt
auf den Vertrag von Maastricht zurück, der die Gemeinschaft erstmals in die Lage
versetzt, im Bereich der Schulbildung größere Kooperationsvorhaben
durchzuführen. Es besteht aus einer ganzen Reihe von Aktionen, die die
Zusammenarbeit zwischen Schulen (im Sinne der umfassenden Begriffserklärung
des Beschlusses im Anhang) stärken, den Lehrerberuf aufwerten und zur
Erreichung einer umfassenden, qualitativ hoch stehenden Schulbildung für alle
Jugendlichen beitragen sollen. Ein innovativer Umgang mit den neuen
Informations- und Kommunikationstechnologien soll gefördert werden, um eine
virtuelle Wirklichkeit anderer europäischer Staaten zu kreieren, um die Kontakte
über nationale Grenzen hinweg zu erleichtern und die Erfahrung Schule für die
Schüler in Europa internationaler zu gestalten. Transnationale Projektarbeit,
Kontakte zwischen einzelnen Klassen und der Austausch von Lehrern werden dazu
Vorbereitender Besuch, Comenius Aktion 1
15. – 17. Oktober 1999
Überblick über die Aktionen von Sokrates
37
beitragen, in Schulen in allen beteiligten Ländern ein dynamisches, kreatives und
innovatives Lernumfeld sicherzustellen.
Mit Hilfe von COMENIUS sollen die Bildungssysteme der beteiligten Länder durch
den "Mehrwert" der europäischen Dimension bereichert werden. Die Schlüsselrolle
der Schule bei der Schaffung eines "offenen Bildungsraums" der Kooperation im
Europa des 21. Jahrhunderts wird dabei voll anerkannt. Die Schulzeit ist eine
Erfahrung, die fast alle jungen Menschen in Europa, wenn auch in
unterschiedlicher Weise, teilen. Von jeher spielte die Schule eine wichtige Rolle
bei der Weitergabe gesellschaftlicher, kultureller und geistiger Werte in den
einzelnen Ländern. Nun ist sie gefordert, das Europa von morgen entscheidend
mitzugestalten, das Vertrauen junger Leute in ihre regionale bzw. nationale
Identität zu stärken und ihnen gleichzeitig ein Zugehörigkeitsgefühl zu einer
größeren, offenen Europäischen Gemeinschaft zu vermitteln. Verständnis für die
Werte der Demokratie, Achtung der grundlegenden Menschenrechte, Respekt des
Andersartigen, Toleranz – diese Werte sind ein wichtiger und unveräußerlichen
Teil dieses Prozesses.
COMENIUS umfasst die Vorschulerziehung und sämtliche Ebenen und Arten von
Schulerziehung. Es fußt auf verschiedenen Initiativen und Pilotprojekten, die auf
europäischer und nationaler Ebene durchgeführt wurden, und ermöglicht es, diese
weiterzuführen und mit einer Reihe neuer Maßnahmen abzustimmen. Auf diese
Weise kommt ein umfassendes Programm zu Stande, das eine europaweite
Zusammenarbeit in den Schulen unterstützt und mit anderen, verwandten
Aktionen im Rahmen von SOKRATES wie die ARION-Studienaufenthalte und
verschiedenen Abschnitten von LINGUA zusammenwirkt.
Einen Beitrag zur Förderung gleicher Zugangsmöglichkeiten zu einer qualitativ
hoch stehenden (Aus)bildung für alle jungen Menschen ungeachtet ihrer
wirtschaftlichen, sozialen und geografischen Lage beziehungsweise einer wie auch
immer gearteten Behinderung zu leisten, bildet ein wichtiges Ziel von COMENIUS.
Daher enthält es eine Reihe wichtiger Maßnahmen zur Bekämpfung von sozialer
Ausgrenzung, Rassismus und Fremdenfeindlichkeit sowie zur Erleichterung der
Eingliederung von Randgruppen. Spezifische Maßnahmen zur Verbesserung der
Bildungsmöglichkeiten der Kinder von Personen die einem Wandergewerbe
nachgehen, von Wanderarbeitnehmern, Sinti und Roma sowie Nichtsesshaften sind
ebenfalls in diesem Zusammenhang zu sehen.
Aktion 1: Schulpartnerschaften/Europäische Bildungsprojekte
Mit dieser Aktion werden Partnerschaften zwischen Schulen aus verschiedenen
teilnehmenden Ländern gefördert, die zusammen an gemeinsam festgelegten
"europäischen Bildungsprojekten" (EBP) arbeiten wollen. Solche Projekte sind in
die regulären Aktivitäten der Schule integriert und sollten sich möglichst
nachhaltig auf die gesamte Schülerschaft in den teilnehmenden Schulen
auswirken. In ihrem Rahmen sollen, eingebettet in den Lehrplan, Themen von
europäischem Interesse behandelt werden (kulturelles Erbe, Umweltthemen,
Wissenschaft und Technik, usw.), die unter Einbeziehung von verschiedenen
Fachrichtungen die Entwicklung eines fach- und länderübergreifenden
Arbeitsansatzes ermöglichen.
Der Einsatz neuer Technologien wird ganz besonders gefördert, da er in idealer
Weise direkte Verbindungen zwischen verschiedenen Klassen fördert und die
Vorbereitender Besuch, Comenius Aktion 1
15. – 17. Oktober 1999
Überblick über die Aktionen von Sokrates
38
Entwicklung von Modellen wirklich transnationalen, kooperativen Lernens
sicherstellt.
Die Verbreitung der Projektergebnisse bildet ein Kernstück aller EBP.
Teilnehmende Schulen werden aufgefordert, benachbarte Schulen in ihre Projekte
einzubinden, indem sie Ausstellungen erarbeiten, Tage der offenen Tür
organisieren und andere Lehrer beteiligen, insbesondere in Verbindung mit
internationalen Veranstaltungen im Rahmen der Partnerschaft.
Im Rahmen von COMENIUS werden Mittel bereitgestellt für:
l
Vorbereitende Besuche: Sie sollen Lehrern ermöglichen, Projekte ins Leben zu
rufen, in die Kollegen von Partnerschulen in anderen teilnehmenden Ländern
einbezogen werden können;
l
Projektunterstützung: Durch Zusammenkünfte von Lehrern und die
Entwicklung der Lernressourcen, des Lehrmaterials und durch elektronische
Kommunikationsverbindungen bzw. Kontakte zwischen Schülern sollen
Partnerschaften zur Entwicklung von Projekten ermöglicht werden.
l
Lehreraustausch: Er sollen es Lehrern ermöglichen, sich im Rahmen des
Projekts am Unterricht an einer der Partnerschulen im Ausland zu beteiligen;
l
Studienbesuche: Hiermit soll es Schulleitern ermöglicht werden,
Partnerschulen zu besuchen, ihre Kenntnis der unterschiedlichen
Bildungssysteme zu vertiefen und die Fortschritte des Projekts selber zu
überprüfen;
Die Schulen werden aufgefordert, die Schüler voll und ganz an der Festlegung des
Inhalts und der Vorgehensweise des jeweiligen Projekts zu beteiligen und es ihnen
auf diese Weise zu ermöglichen, Selbstvertrauen in Entscheidungsprozessen und
eine unabhängige Denkweise zu entwickeln, die Fähigkeit zu erlernen,
Informationen zu erlangen und zu gestalten, und Informations- und
Kommunikationstechnologien zu verwenden. Der Lernprozess im Rahmen eines
derartigen Projekts trägt dazu bei, dem Schüler die Motivation und die Fähigkeit zu
vermitteln, sein Streben nach Wissen auch weit über die Schule hinaus in einem
Prozess des lebenslangen Lernens fortzusetzen.
[...]
Aktion 3 : Fortbildung von Lehrern und anderen Erziehern
Bislang war die Lehrerfortbildung in den am SOKRATES-Programm teilnehmenden
Ländern in starkem Maße national ausgerichtet. Unter Anerkennung der zentralen
Rolle der Lehrer in Form ihres Beitrags zur europäischen Dimension der Bildung
und allgemeinen der Verbesserung der Qualität der Bildung sieht Aktion 3 von
COMENIUS Unterstützung für Maßnahmen vor, die die beruflichen Kenntnisse der
Lehrer und ihre Fähigkeit fördern, sich auf eine Umwelt einzustellen, die sich
durch sozialen und technologischen Wandel, zunehmend heterogene
Schülergruppen und engere Kontakte innerhalb Europas, eingebettet in einen
immer offeneren globalen Kontext, auszeichnet.
Die Aktion unterstützt daher die Entwicklung länderübergreifender Fortbildungspartnerschaften zwischen Einrichtungen und Organisationen in verschiedenen
teilnehmenden Ländern mit dem Ziel, die Fähigkeiten der Lehrer und der anderen
Akteure im Bildungswesen zu aktualisieren und zu verbessern und somit der
Schulbildung eine europäische Dimension zu verleihen, die Lernerfolge der
Vorbereitender Besuch, Comenius Aktion 1
15. – 17. Oktober 1999
Überblick über die Aktionen von Sokrates
39
Schüler zu verbessern und eine stärkere Einbindung von Kindern mit besonderen
Bedürfnissen und Lernfähigkeiten in die Schulaktivitäten sicherzustellen.
Der Schwerpunkt liegt auf der Unterstützung von Maßnahmen, die direkt auf die
Lehrer im Klassenzimmer ausgerichtet sind. Die Projekte zeichen sich durch eine
multilaterale Konzeption und Planung von Aktivitäten aus und zielen insbesondere
auf die Nutzbarmachung des innovativen Potenzials der neuen Technologien ab,
die die Weitergabe von Kenntnissen aus bestimmten Bereichen, die Erlangung
neuer Kompetenzen, die Herstellung von Hilfsmitteln sowie die Entwicklung von
Ausbildungsmaßnahmen für eine Reihe von Lernsituationen in den einzelnen
beteiligten Ländern ermöglichen.
Die zu unterstützenden Projekte lassen sich in zwei Kategorien unterteilen:
l
Projekte zur Förderung der europäischen Dimension der Bildung durch die
Förderung des Austausches von Informationen und Erfahrungen und die
Einführung oder Entwicklung der europäischen Dimension in der
berufsbegleitenden Fortbildung.
l
Projekte zur Verbesserung der Lernerfolge und der Schulteilnahme:
Aktualisierung und Verbesserung der Fähigkeiten des Lehrpersonals, das
besonders eingebunden ist in Tätigkeiten zur Förderung der allgemeinen
Schulleistungen und zur Sicherstellung einer möglichst vollständigen
Einbindung von Kindern mit besonderen Ausbildungsbedürfnissen und
Lernfähigkeiten in die Schulaktivitäten. Diese Projekte werden vor allem der
besonderen Notwendigkeit Rechnung tragen, nachhaltig auf die Minimierung
und Verhinderung der Ausgrenzung hinzuwirken, jungen Menschen bei ihren
Berufs- und Lebensentscheidungen Orientierung und Leitung zu geben und
insbesondere der Vereinheitlichung bei der Wahl von Fächern und
Laufbahnausrichtungen entgegenzuwirken, die Einbindung junger Menschen
mit Lernproblemen und/oder Behinderungen sicherzustellen und zu einer
allgemeinen Anhebung des Leistungsniveaus in allen Teilen der Schülerschaft
beizutragen.
Im Rahmen dieser Projekte werden Maßnahmen gefördert, die konzipiert wurden,
Lehrern und Lehrerausbildern die Möglichkeit zu bieten, sich mit dem Einsatz
neuer Unterrichtstechniken und -methoden in ihrem Fachbereich vertraut zu
machen bzw. ihre Kenntnisse in diesem Bereich zu aktualisieren.
Gemeinschaftsmittel stehen zur Verfügung in der Form von:
l
Zuschüsse für die Vorbereitung, gemeinsame Entwicklung und Durchführung
von Projekten (Aktion 3.1);
l
Zuschüsse für die Teilnahme von Personen an berufsbegleitenden Fortbildungsaktivitäten (Aktion 3.2).
Sonstige Maßnahmen
Unterstützung wird ferner gewährt für:
l
europäische Aktivitäten unter der Leitung von Vereinigungen, die im Bereich
der Schulzusammenarbeit (zum Beispiel Lehrer- oder Elternverbände) tätig
sind;
l
bewusstseinsbildende Maßnahmen in Bezug auf die Förderung der
europäischen Zusammenarbeit in diesem Bereich, einschließlich der
Unterstützung für den Wettbewerb "Europa in der Schule".
Vorbereitender Besuch, Comenius Aktion 1
15. – 17. Oktober 1999
Überblick über die Aktionen von Sokrates
40
COMENIUS steht auch in enger Wechselwirkung mit anderen Teilen des
SOKRATES-Programms, insbesondere im Hinblick auf:
l
die Erstausbildung von Lehrern als Teil der Hochschulbildung;
l
die Förderung von Fremdsprachenkenntnissen;
l
die Förderung des offenen Unterrichts und der Fernlehre;
l
die Förderung der Erwachsenenbildung;
l
die ARION-Studienbesuche für Entscheidungsträger im Bildungswesen
(Dieses Kapitel ist eine gekürzte Version von SOKRATES, Vademecum der Europäischen Kommission)
Vorbereitender Besuch, Comenius Aktion 1
15. – 17. Oktober 1999
EducationalPackage - brainstorming
41
9 EducationalPackage - brainstorming
9.1 Der Mond im Klassenzimmer
In der ersten Phase des LunarSat EducationalPackage soll eine Internet Seite
erstellt werden, die hauptsächlich auf Schulen und andere Bildungseinrichtungen
ausgerichtet ist. Diese Seite wird Unterrichtsmaterial über die LunarSat Mission
und Astronomie im Allgemeinen für technische und naturwissenschaftliche Fächer
enthalten. Das Unterrichtsmaterial wird von den Teilnehmern (mit grosser
technischer Unterstützung des LunarSat EducationalPackage–Team) erstellt
werden und soll aus allgemeine Informationen über die LunarSat Mission
(technische Beschreibung der Module und der wissenschaftlichen Instrumente,
erwartete wissenschaftliche Ergebnisse, Status der Mission, Flugweg des Moduls,
Zusammenfassung früherer Mondmissionen), Overheadfolien, Videosequenzen
und Arbeitsblätter für den Gebrauch im Schulunterricht bestehen.
Im Weiteren soll die Internetseite sowohl als Kommunikationsmittel der am Projekt
teilnehmenden Gruppen als auch als Diskussionsforum für jedermann dienen.
9.2 Möglichkeiten für Astronomie und Raumfahrt im
Schulunterricht
Mathematik
•
•
•
•
•
•
•
•
Höhe eines Mondkraters
Messen des Schattens eines Mondkraters
Berechnung der Höhe des Kraterrandes
Finsternisse
Berechnung der Dauer der Mondfinsternis vom 21. Jänner 2000, die in
Europa sichtbar ist.
SpacePinball. Versuche den Flug von LunarSat von der Erde zum Mond mit
möglichst wenig Treibstoffverbrauch durchzuführen.
Bestimmung des Alters von Mondkratern durch Kraterzählung
Bestimmung der Wahrscheinlichkeit eines Impakt durch einen großen Körper
Erstellung einer Software zur Modellierung eines n-Körperproblems
(Planetenbewegung, Satellitenbewegung)
Schwingungseigenschaften des Satelliten
Datenkompimierungsmethoden
Physik
•
•
•
•
•
Finsternisse
Berechnung der Dauer der Mondfinsternis vom 21. Jänner 2000, die in
Europa sichtbar ist.
Mechanik einer Satellitenumlaufbahn im Allgemeinen: Warum bleibt ein
Satellit auch ohne Antrieb im Orbit?
SpacePinball. Versuche den Flug von LunarSat von der Erde zum Mond mit
möglichst wenig Treibstoffverbrauch durchzuführen.
Bestimmung der Wahrscheinlichkeit eines Impakt durch einen großen Körper
Simulation eines Impakts (Schulversuch)
Vorbereitender Besuch, Comenius Aktion 1
15. – 17. Oktober 1999
EducationalPackage - brainstorming
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
42
Erstellung einer Software zur Modellierung eines n-Körperproblems
(Planetenbewegung, Satellitenbewegung)
Antriebssystem von LunarSat und anderen Raumfähren
Wie entstehen Gezeiten?
Schätzung der Dicke des Wassermatels auf dem Jupitermond Europa
Radarsignale vom Mondsüdpol zur Bestimmung von Wassereisvorkommen
Schwingungseigenschaften des Satelliten
Energieversorgung, Solarzellen
Technische Beschreibung und Detailangaben zur CCD-Kamera
Entstehung des Sonnensystems
Swing by - Manöver
Mit was wird LunarSat im Weltraum konfroniert: Extreme Temperaturen,
Strahlung, Mikrometeoriten
Informatik
•
•
•
Erstellung einer Software zur Modellierung eines
(Planetenbewegung, Satellitenbewegung)
Datenkomprimierungsmethoden
Speichermethoden an Bord und bei der Bodenstation
n-Körperproblems
Chemie
•
Treibstoffverbrauch des Antriebssystem von LunarSat
Kommunikationstechnologie
•
•
Datenübertragung: Phasen-Shift-Modulation
Elektronische Ausstattung von LunarSat
9.3 Noch mehr Gedanken und Ansatzpunkte
In der abschließenden Sitzung am Sonntag diskutierte die Gruppe noch über
folgende Themen:
Warum gerade "LunarSat EducationalPackage"?
Zunächst wird es unbedingt notwendig sein, die Vorteile des LunarSat
EducationalPackage im Unterschied zu existierenden Arbeitsmaterialien zu
betonen. Eine wesentliche Frage ist: Warum bietet LunarSat mehr als alle anderen
aktuellen Raumfahrtmissionen oder alle derzeit existierenden Bildungs-Websites
zu wissenschaftlichen Missionen ins All?
Verschiedene Antworten wurden vorgeschlagen:
• Das Projekt könnte eine einmalige Gelegenheit sein, in eine laufende Mission
involviert zu werden
• LunarSat ermöglicht europaweite Zusammenarbeit
• Online-Daten sind beinahe in Echtzeit erhältlich
• Es sind nicht nur "Arbeitsblätter" für einzelne Klassen (wie sie in großer Zahl im
Internet zu finden sind) sondern Zusammenstellungen von Materialien, welche
für multilaterale Projekte genützt werden können.
• Die Interaktion mit den lokalen Wissenschaftsteams von LunarSat könnte eine
weitere einmalige Gelegenheit darstellen:
Vorbereitender Besuch, Comenius Aktion 1
15. – 17. Oktober 1999
EducationalPackage - brainstorming
43
Als Belohnung für aktive Mitarbeit könnten die Klassen die Möglichkeit
erhalten, zum Beispiel an einer lokalen Sternenbeobachtung, einer Führung
durch Industrieanlagen usw. teilzunehmen. Dies würde den Arbeitsblätter ein
"Life-Element" hinzufügen.
Der anfängliche Zündfunke
Ein weiteres, eingehend diskutiertes Thema war die Frage, wie eine anfängliche
Stimulation und/oder Faszination ausgelöst werden könnte. Übereinstimmung
bestand darin, dass ein "spielerisches Element" in den Paketen vorhanden sein
sollte, welches unter anderem Online-Spiele beinhaltet. Die Idee dahinter ist, das
Interesse durch Software mit nicht allzu ernstem Charakter usw. zu wecken. In
einem zweiten Schritt soll dann etwas Leistungsdenken Eingang finden, um das
Ganze ernster zu gestalten.
Zum Beispiel könnten Spieleserver eingerichtet werden, ähnlich den OnlineChatrooms und der Netzversion des "Dungeons and Dragons"-Spieles 4. Einige
Teilnehmer vertraten die Meinung, dass MoonCivilization dieses erste spielerische
Element sein könnte, welches das Interesse der Schüler weckt. Sobald dann die
ersten echten Daten zur Erde übermittelt werden, sollte der spielerische Aspekt
enden und die seriöse Arbeit beginnen.
Die Schüler werden – abhängig vom Schwierigkeitsgrad – die Lehrer um Hilfe
bitten müssen.
Letztere werden "gezwungen", sich über die Mission zu
informieren. Sie finden dazu bei LunarSat EducationalPackage eine Fülle von
verwendbaren Hilfsmitteln, wodurch möglicherweise die ganze Klasse in das
Projekt einbezogen wird.
Einige Teilnehmer meinten auch, dass EducationalPackage Hand in Hand mit
MoonCivilization zusammen arbeiten könnte. So könnten zum Beispiel die Lehrer
Einfluss auf die Spielstrategie und verschiedene Vorgangsweisen nehmen; auch
könnten sie als Multiplikator wirken, indem sie das Konzept aktiv fördern.
Schrittweise Annäherung
Über die folgenden Schritte bestand Einigkeit:
1. Austausch von Arbeitsaufgaben mit Unterstützung durch LunarSat
2. Arbeitsaufgaben werden durch Lehrer erstellt, sobald die Workshop-Teilnehmer
in die Schulen zurückkehren
Es tauchte die Frage auf, was die Gegenleistung für die teilnehmenden Lehrer sein
könnte, dafür dass sie Zeit in die Erstellung der Arbeitsaufgaben investieren. Die
Lösung war, mit einer Gruppe von "Idealisten" zu starten, die das erste kleine
Netzwerk bilden und später andere zur Mitarbeit stimulieren.
4
"Dungeons and Dragons" ist das bekannteste Beispiel eines Fantasie-Strategie-Spieles. D&D fordert
eine Menge sozialer Kompetenz und Fantasy von den Spielern: Ein "Gamemaster" ist der Schlüssel
zu einer anderen Welt, wo die Spieler Probleme zu lösen haben und bestimmte Missionen leisten
müssen. Jeder Teilnehmer stellt einen anderen Charakter dar (Elfe, Krieger, Zauberer usw.) und hat
bestimmte Fähigkeiten, entsprechend einem sehr komplexen Punktesystem.
Vorbereitender Besuch, Comenius Aktion 1
15. – 17. Oktober 1999
EducationalPackage - brainstorming
44
Zeitplan
Jetzt - 31.12.1999: Zusammenstellen von Arbeitsaufgaben
1.1.2000-29.2.2000: Entscheidung ob die Schule teilnehmen will
1.3.2000:
Antragstellung
à Die bilaterale/multilaterale Phase ist damit eingeleitet
Zielgruppen
Eine der Herausforderungen an EducationalPackage sind die große Vielfalt an
Altersgruppen aber auch der wissenschaftlichen Vorkenntnisse / der Schultypen,
da wir uns nicht ausschließlich auf eine Gruppe beschränken wollen.
Darum kam eine matrixartige Idee auf, welche dem Lehrer erlaubt, das passende
Paket zu wählen. Dies könnte in der Startphase ungefähr folgendermaßen
aussehen:
Schultyp gegen
Altergruppe
Technische
Schulen
Gymnasien
Universitäten/
Kollege
10-12
12-14
Paket 1
Paket 2
14-16
16-18
>18
Paket 3
Paket 4
Paket 5
Paket 1
Paket 3
Paket 4
Der Lehrer kann sich das Paket passend zu Altersgruppe und Schultyp aussuchen.
Welche Materialien könnten von LunarSat bereitgestellt werden?
•
•
•
•
Bilder, Animationen, Videos
Wissenschaftliche Erfahrung, Weiterleitung von Anfragen an die
wissenschaftlichen Teams
Software (SpacePinball) und Programmierkenntnisse
Webspace
Weitere diskutierte Themen:
•
•
•
•
Einführung eines astronautisch-technischen Wörterbuches
Einbeziehen von "Jugend forscht"5-artige Initiativen und Erfahrungen
Betreuung von "Fachbereichsarbeiten"
Nicht-finanzieller Ansporn für Lehrer (z.B. Sommerschul-Gutscheine,
Exkursionen und lokale Presentationen in den Klassenräumen)
5
"Jugend forscht" ist eine sehr erfolgreiche deutsche Wissenschaftsinitiative, welche jedes Jahr
Jugendliche herausfordert, ihre wissenschaftlichen Ideen und technischen Innovationen
vorzustellen.
Vorbereitender Besuch, Comenius Aktion 1
15. – 17. Oktober 1999
Abkürzungen
45
10 Abkürzungen
Organisationen und Missionen
DLR
DTU
ESA
ESTEC
ESOC
IRF-U
SRC
Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt (Berlin)
Danish Technical University (Copenhagen)
European Space Agency
European Space Technologie Center (Noordwijk)
European Space Operation Center (Darmstadt)
Swedish Institute of Space Physics - Uppsala division
Space Research Center of the Polish Academy of
Science (Warzaw)
EuroMoon
Initiative für eine erste unbemannte, europäische
Mondlandemission
Lunar Satellite
Public Outreach and Education
LunarSat
PO/E
Wissenschaftliche Instrumente und Subsysteme
ADAV
ADCS
CHRIS
DCU
GNC
LENA
MAG
OBC
OBDH
ROLIS
REX
WAC
analogoue data acquisition unit
attitude determination and control system
color high resolution imaging system
data control unit
guidance, navigation and control
lunar exosphere Na & OH analyser
magnetometer
on-bord computer
on-board data handling
Vorgänger von CHRIS
radar and plasma experiment
wide angle camera
Anderes
ASAP
BCR
BDR
COTS
ESA / CCSDS
GTO
LEOP
LTO
LO
LSPC
NTO
TC
TM
WCC
WCH
WSB
ariane structure for auxiliary payload
battery charge regulator
battery discharge regulator
commercial-off-the-shelf
special code for space communication
geosynchron transfer orbit
launch and early orbit phase
lunar transfer orbit
lunar orbit
long-term space policy committee (ESA)
N2O4 à oxidizer (part of fuel)
telecommands
telemetry
worst case cold
worst case hot
weak stability boundary
Vorbereitender Besuch, Comenius Aktion 1
15. – 17. Oktober 1999
Abkürzungen
s/w
h/w
s/c
p/l
46
software
hardware
spacecraft
payload (Nutzlast)
Vorbereitender Besuch, Comenius Aktion 1
15. – 17. Oktober 1999
Einige nützliche Ressourcen
47
11 Einige nützliche Ressourcen
•
Allgemeine Informationen zum Comenius-Projekt (einschließlich aller
Antragsformulare) können unter der folgenden Internet-site eingeholt werden:
http://www.europa.eu.int/en/comm/dg22/socrates/comenius/site/intro.html
•
Sie können ihre nationale Geschäftsstelle von Comenius erreichen unter:
Österreich
Büro für Europäische Bildungskooperation
Programmbüro Sokrates
Schreyvogelgasse 2/Mezzanin
A-1010 Wien
Comenius Aktion 1
Kontaktperson: Mag. Petra Reiter
++43-1-534 08 17 / 21
[email protected]
Comenius Aktion 3
Kontaktperson: Holger Bienzle
++43-1-534 08 21
[email protected]
Deutschland
Comenius
PAD – Pädagogischer Austauschdienst
Sekretariat der Ständigen Konferenz der Länder in der
Bundesrepublik Deutschland
Lennestrasse 6
D-53113 Bonn
Comenius Aktion 1
Kontaktperson: Herr Klausnitzer
Tel.: ++49 – 228 – 501 298
Comenius Aktion 3
Kontaktperson: Herr Dr. Spielkamp
Tel.: ++49 – 228 – 501 / 0
Italien
Biblioteca di Documentazione Pedagogica
Via Buonarroti, 10
IT - 50122 Firenze
Tel.: (39-055) 238.03.05
Tel.: (39-055) 238.03.15
Fax: (39-055) 238.03.30
E-mail.: [email protected]
Internet: http://www.bdp.it/deure/deureh
Comenius Aktion 1
Kontaktperson: Ms. Sebastiana Arico
Tel.: (39-055) 238.03.28
Fax: (39-055) 238.03.99
Fax: (39-055) 238.03.43
E-mail: [email protected]
Vorbereitender Besuch, Comenius Aktion 1
Comenius Aktion 3
Kontaktperson: Ms. Itala Gallo
Tel.: (39-055) 238.03.88
Fax: (39-055) 238.03.99
E-mail: [email protected]
E-mail: [email protected]
15. – 17. Oktober 1999
Einige nützliche Ressourcen
48
Spanien
Agencia Espanola para Becas Erasmus
Secretaria General
Consejo de Universidades
Ciuda Universitaria s/n
E-28040 Madrid
Comenius Agencia Nacional Socrates (O.E.I.)
c/o Bravo Murillo, 38
E-28015 Madrid
e-mail: [email protected]
Kontaktperson: Fernando Rueda
•
Die Internetadresse des LunarSat-Projekts lautet: http://www.microsat.de
Vorbereitender Besuch, Comenius Aktion 1
15. – 17. Oktober 1999