Tausende hoch entwickelter Zivilisationen könnten irgendwo zwischen den 100 Milliarden Sternen unseres Milchstraßensystems siedeln. Deshalb suchen einige Forscherteams seit vier Jahrzehnten den Himmel immer wieder nach Radiosignalen ab, die eine fortschrittliche Zivilisation in die Weiten des Alls gesandt haben könnte. Für diese passive Suche nach außerirdischen Intelligenzen (kurz Seti, nach search for extraterrestrial intelligence) setzen sie Parabolantennen mit hoch empfindlichen Radioempfängern ein, denn die Signale – sofern sie überhaupt vorhanden sind – dürften wegen der großen kosmischen Entfernungen sehr schwach sein.

Vergleichsweise wenig wurde bisher über das umgekehrte Problem veröffentlicht. Nämlich: Wie muss ein Radiosender beschaffen sein, dessen Signale wenigstens mit dem Hauch einer Chance in einigen Dutzend oder Hundert Lichtjahren Entfernung noch zu empfangen sind?

Diese Frage ist keineswegs rein akademisch. Die Seti-Forscher wissen seit langem, dass ein Versuch zum Empfang von Signalen nur sinnvoll ist, wenn sie auch eine Vorstellung über das Sendesystem und das Sendeverhalten der "Gegenseite" haben. Insbesondere die Schwierigkeiten und Probleme, die beim Übertragen eines Signals über interstellare Distanzen auftreten, müssen genau analysiert werden. Auf Grund elementarer physikalischer Gesetze ist es nämlich keineswegs trivial, einer anderen Zivilisation irgendwo in dem Sternengewimmel etwas über die eigene Existenz mitzuteilen.

Diese Analyse könnte helfen, das zentrale Paradoxon von Seti zu verstehen: Wenn Tausende fortschrittlicher Zivilisationen im Milchstraßensystem existieren, warum haben wir dann noch nichts von ihnen gehört?

Die Konstruktion eines Senders für interstellare Nachrichten beginnt mit der geschickten Wahl eines Frequenzbereichs, in dem das Signal übertragen werden soll. Licht zum Beispiel eignet sich nicht, weil es stark vom interstellaren Staub gestreut und absorbiert wird. Radiowellen hingegen können den Weltraum relativ ungehindert durchqueren.

Innerhalb des Radiospektrums konzentrieren sich die Seti-Forscher auf den Frequenzbereich zwischen ein und drei Gigahertz (GHz), also dem Bereich zwischen 30 und 10 Zentimeter Wellenlänge. Hierfür steht eine ausgereifte Empfangstechnik zur Verfügung. Zudem werden Wellen dieser Frequenzen durch Absorption und Streuung an interstellaren Molekülen und Gaswolken am geringsten gedämpft (mit Ausnahme in der Nähe der 21-Zentimeter-Linie des Wasserstoffs, die einer Frequenz von 1,42 GHz entspricht). Auch die Hintergrundstrahlung der Galaxis ist in diesem Frequenzbereich nur gering.

Radiostrahlung breitet sich in Form periodisch wechselnder elektrischer und magnetischer Felder aus, und zwar mit einer Geschwindigkeit von 300 000 Kilometern pro Sekunde. Die Entfernung, in der eine Radiowelle noch entdeckt werden kann, ist hauptsächlich durch fünf Faktoren bestimmt (sofern Sende- und Empfangsantennen sorgfältig konstruiert sind):

- das elektromagnetische Rauschen beim Empfang der Wellen,

- die Empfindlichkeit des Empfängers,

- die Leistung des übertragenen Signals sowie

- die jeweilige Größe der Sende- und Empfangsantennen.

Beginnen wir mit dem Rauschen, das praktisch überall anzutreffen ist. Dem regelmäßig strukturierten Signal eines Radiosenders sind ungeordnete, statistischen Gesetzen unterliegende Schwingungen des elektromagnetischen Feldes überlagert. Dieses Rauschen macht sich zum Beispiel bemerkbar, wenn ein Radiogerät nicht exakt auf einen Sender eingestellt ist.

Jeder materielle Gegenstand sendet elektromagnetische Strahlung im gesamten Spektrum aus – genauer gesagt, er rauscht. Das Strahlungsmaximum liegt dabei bei einer Frequenz, die durch die absolute Temperatur des Gegenstands festgelegt ist. Üblicherweise bestimmen die Physiker dieses Rauschen über die Temperatur eines imaginären "Schwarzen Körpers", der beispielsweise alle unterschiedlichen Rauschquellen eines Kommunikationssystems repräsentiert.

Dieses Systemrauschen schränkt unsere Fähigkeit zur Kommunikation empfindlich ein. Um ein Signal detektieren zu können, muss dessen Leistung an der Empfangsantenne mindestens in der Größenordnung des Antennenrauschens liegen. Die Situation entspricht der zweier Menschen, die sich auf einer lauten Party miteinander unterhalten wollen: Sie müssen so laut reden, dass sie den Umgebungslärm übertönen können.

Das Rauschen in den Verstärkern eines Radioempfängers stammt aus zwei Quellen: externen, die über die Antenne einstrahlen und internen, die in den Verstärkern entstehen. Die Verstärkertechnik hat aber mittlerweile einen Stand erreicht, bei dem die Temperatur des internen Rauschens nur wenige Kelvin beträgt.

Das Rauschen externer Quellen lässt sich üblicherweise nicht beeinflussen, so dass diese Rauschkomponente die Leistungsfähigkeit moderner Empfangssysteme begrenzt, wie sie in der Astronomie eingesetzt werden. Zu den externen Rauschquellen zählen zum Beispiel der Erdboden (falls die Antennen auf der Oberfläche eines Planeten stehen), die Atmosphäre, die Hintergrundstrahlung der Galaxis, astronomische Radioquellen innerhalb und außerhalb des Milchstraßensystems sowie die kosmische Hintergrundstrahlung, die sozusagen ein Nachleuchten des Urknalls ist, in dem unser Universum entstand. Nach dem Stand der heutigen Technik addieren sich all diese Rauschquellen, einschließlich des internen Empfängerrauschens, in einem von der Bodenstrahlung abgeschirmten Empfänger auf etwa 15 Kelvin.

Welche Signalleistung müssen wir einem fernen Empfänger zur Verfügung stellen, wenn wir diese Rauschtemperatur übertreffen wollen? Um diesen Betrag abzuschätzen, ist zu berücksichtigen, dass die Rauschleistung im Empfänger auch von der Bandbreite abhängt, also dem Frequenzbereich, in dem der Empfänger arbeitet. Da das Rauschen über das gesamte Spektrum verteilt ist, nimmt die Rauschleistung umso mehr ab, je enger die Bandbreite ist. Folglich sollte die Bandbreite so eng wie möglich sein, damit auch schwächste Signale registriert werden können.

Andererseits können mit zunehmender Bandbreite auch mehr Daten übertragen werden. Für normale Sprache beispielsweise genügt eine Bandbreite von etwa 2,5 Kilohertz, während ein Fernsehsignal bereits eine Bandbreite von 4,5 Megahertz benötigt.

Angenommen, die Informationen würden mit einer Übertragungsrate von fünf Bit pro Sekunde übermittelt. Je nach Signal-Rausch-Verhältnis wäre dafür eine Bandbreite von etwa 2,5 Hertz erforderlich. Damit könnten wir die Nachricht "Hallo" in fünf Sekunden übertragen, sofern fünf Bit für die Darstellung jedes Buchstabens ausreichen.

Mit der nun gewählten Bandbreite und Rauschtemperatur können wir zu unserer Ausgangsfrage zurückkehren: Welche Signalleistung muss an der Empfangsantenne herrschen, um dort das Rauschen zu übertreffen? Die Formel zur Berechnung der Rauschleistung Pn lautet: Pn = kTB. Hierbei ist k die Boltzmann-Konstante (1,3806 x 10E-23 Joule pro Kelvin), T die Rauschtemperatur (in unserem Beispiel 15 Kelvin), und B die Bandbreite des Detektors (2,5 Hertz). Mit diesen Werten ergibt sich für das Empfangssystem eine Rauschleistung von 5,2 x 10E-22 Watt. Das zu registrierende Signal muss also mindestens dieselbe Leistung haben. Für eine effektive Fläche der Empfangsantenne von einem Quadratmeter wäre dann eine Signalstärke von 5,2 x 10E-22 Watt pro Quadratmeter am Empfänger erforderlich.

Welche Leistung müsste nun ein 100 Lichtjahre (entsprechend 9,46 x 10E17 Meter) entfernter Sender aufbringen, damit das Signal am Empfänger diese Stärke hat? Dabei sei eine isotrope Abstrahlung des Signals angenommen (also in alle Raumrichtungen mit gleicher Leistung), weil im Voraus unbekannt ist, wo sich der potenzielle Kommunikationspartner befindet. Die Stärke eines Signals nimmt umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung ab. Die erforderliche Leistung eines Rundum-Senders ergibt sich also zu (5,2 x 10E-22) x 4p x (9,46 x 10E17)^2 = 5,8 x 10E15 Watt. Dieser Wert ist enorm – er entspricht etwa dem 7000fachen der gesamten Kraftwerksleistung in den USA.

Verglichen mit den Dimensionen der Galaxis sind 100 Lichtjahre eine winzige Entfernung. Innerhalb eines kugelförmigen Raumbereichs mit diesem Radius befinden sich rund 1000 Sterne – weniger als ein Millionstel eines Prozents aller Sterne im Milchstraßensystem. Um mit einer realistischen Chance auf eine fortschrittliche Zivilisation zu treffen, müssten wir einen viel größeren Bereich des Weltraums erreichen.

Aussichtsreicher als das isotrope Abstrahlen und Empfangen von Signalen ist eine Richtcharakteristik der Antennen. Betrachten wir insbesondere den Zusammenhang zwischen der Größe der Empfangsantenne und der Signalleistung, die der Sender aufbringen muss. Eine Empfangsantenne, deren effektive Fläche im Verhältnis zum Quadrat der Wellenlänge sehr groß ist, nimmt Signale aus einem sehr engen Raumwinkelbereich auf, das heißt, die Empfangskeule ist schmal. Wird eine solche Antenne auf den Sender gerichtet, vermag sie einen großen Teil der Signalleistung aufzufangen – sie hat einen hohen Leistungsgewinn. Der Sender kann das Signal mit entsprechend geringerer Energie an den Empfänger senden. Allerdings muss in diesem Fall die Empfangsantenne in die richtige Richtung weisen – für unsere Anwendung ein bedeutsamer Nachteil, da wir annehmen, dass keiner der Kommunikationspartner weiß, wo der andere ist.

Betrachten wir trotzdem konkrete Zahlen. Wird eine Empfangsantenne mit einer effektiven Fläche von nur einem Quadratmeter – beispielsweise eine Hornantenne oder eine Parabolantenne mit einem Durchmesser von 1,5 Metern – bei einer Wellenlänge von 20 Zentimetern betrieben, misst ihre Empfangskeule etwa 11 Grad. Befindet sich der Sender innerhalb dieses Winkelbereichs, wird jedes Signal von ihm zuverlässig empfangen.

Größere Empfangsantennen verringern die Anforderungen an die Sendeleistung erheblich – allerdings wird dann auch die Empfangskeule noch schmaler. Verglichen mit einer isotropen Empfangscharakteristik verbessert sich der Leistungsgewinn proportional zur effektiven Antennenfläche. Betrachten wir als Beispiel eine quadratische Ansammlung derartiger Antennen, ein Array, mit einer Kantenlänge von einem Kilometer. Bei 20 Zentimetern Wellenlänge hätte diese Anlage einen Leistungsgewinn, der eine Million mal größer ist als bei einer Antenne mit einer Fläche von einem Quadratmeter. Leider würde auch der Winkeldurchmesser der Empfangskeule nur elf Tausendstel eines Grades betragen. Ein solches Array müsste also mit äußerst hoher Präzision auf die Quelle ausgerichtet und nachgeführt werden.

Würde auch die Senderseite ein Array mit einer effektiven Fläche von einem Quadratkilometer zum Abstrahlen des Signals benutzen, nähme der Leistungsgewinn noch einmal um sechs Größenordnungen zu. Die Sendekeule wäre aber entsprechend schmaler. Verfügten sowohl Sender als auch Empfänger über derartige quadratkilometergroße Antennen, reduzierte sich die erforderliche Sendeleistung auf nur 5700 Watt. Es wäre allerdings höchst unwahrscheinlich, dass sich die extrem engen Antennenkeulen von Sender und Empfänger jemals rein zufällig treffen würden.

Wir stehen vor einem klassischen Dilemma: Bei minimaler Antennengröße übersteigt die Sendeleistung die gesamte Energieerzeugung der Welt bei weitem. Verwendet man dagegen riesige Antennen, ist der Energiebedarf moderat, allerdings sind nun die Sende- und Empfangskeulen der Antennen so eng, dass es den potenziellen Kommunikationspartnern praktisch unmöglich ist, sich in dem ungeheuer großen Volumen des Milchstraßensystems zu finden.

Es gibt gewiss zahlreiche Kompromisse zwischen diesen beiden Extremfällen. Doch verspricht keiner einen Ausweg aus dem grundlegenden Problem interstellarer Kommunikation: Die riesigen Entfernungen erfordern einen gigantischen Aufwand.

Dennoch braucht man die Hoffnung nicht aufzugeben. Die von uns gewählten Parameter des Kommunikationssystems sind – obwohl durchaus plausibel – völlig willkürlich. Wir könnten ohne weiteres andere Annahmen über die Technologie unserer weit entfernten Kommunikationspartner machen, beispielsweise ein geringeres Signal-Rausch-Verhältnis oder eine kleinere Bandbreite, die beide deutlich den Energiebedarf verringern.

Noch wichtiger ist die Möglichkeit, eine sehr große Empfangsantenne aus vielen einzelnen Antennen zu bilden, die sich so programmieren lässt, dass die einzelnen Antennen gleichzeitig in unterschiedliche Richtungen weisen und so die Suche nach dem unbekannten Sender deutlich erleichtern. In ähnlicher Weise können zahlreiche Empfangskanäle gleichzeitig untersucht werden – eine Technik, die in den heutigen Seti-Programmen eingesetzt wird. Dieses Multiplexing ist beim Senden jedoch nicht möglich, ohne die Sendeleistung für jede Frequenz oder jede Antennenkeule zu verringern, denn die gesamte zur Verfügung stehende Sendeleistung besitzt einen festen Maximalwert.

Bislang haben wir nur die elementarsten Anforderungen an das Design von Sender und Empfänger betrachtet, den beiden Enden eines interstellaren Kommunikatonskanals. Der Weltraum dazwischen führt zu neuen Problemen, wie etwa den so genannten Mehrwegeffekten.

Um diese Effekte verstehen zu können, muss man etwas über die Art der Ausbreitung von Radiowellen wissen. Im Vakuum breiten sie sich geradlinig aus. Doch der interstellare Raum ist mit dünnem Gas, Staubpartikeln und quasistationären magnetischen Feldern erfüllt, an denen sie reflektiert, gebeugt oder absorbiert werden. Diese Störungen lenken die Radiowellen ab, verändern ihre Polarisation und erzeugen sporadische Fluktuationen in der empfangenen Signalstärke. Dies macht den Einsatz sehr enger Sende- und Empfangskeulen unmöglich, wodurch sich die Anforderungen an die Sendeenergie drastisch erhöhen.

Gebeugt werden die Wellen, wenn sie eine Gaswolke passieren, wo ihre Ausbreitungsgeschwindigkeit geringer ist als im Vakuum. Diese Beugung verändert die Ausbreitungsrichtung der Wellen und kann dazu führen, dass sich zwei Wellen aus derselben Quelle überlagern und eine neue, komplexere Welle bilden. Ist zum Beispiel die Gasdichte entlang des Weges zweier benachbarter Strahlen unterschiedlich, so breiten diese sich mit etwas verschiedener Geschwindigkeit aus. Dadurch entsteht eine Phasenverschiebung zwischen den beiden Wellen, die zur Interferenz führt. In Extremfällen können sich die Wellen dann verstärken oder gegenseitig auslöschen.

Eine zusätzliche Bewegung des Gases verursacht eine weitere, zeitlich veränderliche Phasenverschiebung. In diesem Falle fluktuiert auch die aus der Überlagerung der beiden Wellen entstehende resultierende Welle. Ähnlich wirken sich Reflexionen und Doppler-Verschiebungen aus. Anstelle des ausgestrahlten Signals erreicht den fernen Empfänger eine komplex modulierte Welle.

All diese Überlegungen lassen Radiowellen nicht gerade als geeignetes Medium für interstellare Kontakte erscheinen. Wegen der riesigen Entfernungen im Milchstraßensystem wären die Sendeleistungen enorm hoch oder die Antennen gewaltig groß und die Empfangskeulen unhandlich eng. Kulturen wie die irdische verfügen offenbar nicht über ausreichende Ressourcen zum Aufbau eines interstellaren Kommunikationssystems. Ließe sich dennoch irgendwie ein Kontakt mit einer anderen Zivilisation herstellen, so träfe eine Antwort vielleicht erst Jahrhunderte später ein. Abgesehen von den rein technischen Hindernissen wäre dies also ein Projekt, das viele aufeinander folgende Generationen umfasste.

Aus: Spektrum der Wissenschaft 11 / 2000, Seite 38
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