Die Erforschung des Mondes erfordert in Zukunft ausgeklügelte Lösungen. Eine der faszinierendsten ist die Notwendigkeit, ein spezifisches Zeitmesssystem für den Mond zu schaffen. Da sich unser natürlicher Satellit in einem anderen Gravitationsfeld befindet als die Erde, verläuft die Zeit anders – ein Phänomen, das von Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagt wurde. Dieser Zeitunterschied, auch wenn er verschwindend gering ist, ist für die Arbeit im Weltraum relevant, insbesondere mit der Zunahme von Missionen und permanenten Installationen wie künftigen Mondkolonisationen.

Die Frage nach einer »koordinierten Mondzeit« (Coordinated Lunar Time, LTC) ist daher von entscheidender Bedeutung für Forschende und Ingenieure, die sich mit Mondmissionen und deren Unabhängigkeit von irdischen Ressourcen befassen. Während es auf der Erde eine koordinierte Weltzeit (UTC) gibt, wird auf dem Mond ein Äquivalent benötigt, das in der Lage ist, den unterschiedlichen Zeitablauf im Gravitationsfeld des Mondes zu berücksichtigen. Im Mittelpunkt der Diskussion steht das Verständnis, wie die Relativitätstheorie und die Orbitalbewegung die Synchronisierung von Weltraum- und Erduhren beeinflussen: eine komplexe Herausforderung, die jedoch für die Sicherheit und den Erfolg künftiger Missionen unerlässlich ist.

Eine Uhr für den Mond

Daher beschäftigen sich einige Forscher nicht nur mit der Zeitmessung, sondern auch damit, die genaue Position eines Punktes auf der Mondoberfläche zu bestimmen, da GPS-Systeme in diesem Zusammenhang nicht direkt genutzt werden können. Dank der Fortschritte in der Satelliten- und Kommunikationstechnologie ist es möglich, ein Mondnavigationsnetz zu entwickeln, das die Bewegungen von Astronauten und autonomen Fahrzeugen überwachen kann. All dies setzt jedoch eine solide Grundlage voraus: eine Uhr, die mit der gleichen Präzision funktioniert wie auf der Erde, aber an die besonderen Gravitations- und Bewegungsbedingungen des Mondes angepasst ist. Die Herausforderung wurde gerade erst angenommen und die Antworten, die sich daraus ergeben, beeinflussen nicht nur die Zukunft der Mondmissionen, sondern bringen uns auch einen entscheidenden Schritt näher zum Verständnis und zur praktischen Anwendung der allgemeinen Relativitätstheorie.

Genau diesem Thema widmet sich ein kürzlich im »The Astronomical Journal« veröffentlichter Artikel von Neil Ashby und Bijunath R. Patla, beide vom National Institute of Standards and Technology (NIST) in Boulder, Colorado. »Bei unseren Forschungen geht es darum, die Geschwindigkeit von Uhren auf dem Mond und an Lagrange-Punkten genau abzuschätzen, verglichen mit den Uhren auf dem Geoid der Erde und mit Hilfe der Relativitätstheorie«, erklären die Autoren gegenüber »Le Scienze«. »Das Präzisionsziel unserer Berechnung besteht darin, eine Positionsunsicherheit von landenden Raumfahrzeugen oder Robotern, die auf dem Mond navigieren, auf 100 Quadratmeter zu beschränken.« Dank dieser Studien könnte dieses Ziel in Zukunft noch verfeinert werden. Es gibt jedoch noch viele technische Herausforderungen bei der Einführung eines von der Erde unabhängigen Zeitsystems auf dem Mond.

»Die erste besteht darin, eine ausreichende Anzahl von unabhängigen Uhren auf der Mondoberfläche oder in einer mondnahen Umlaufbahn zu haben«, so die Autoren weiter. »Dann ist da noch der Energiebedarf dieser Uhren, um kontinuierlich in Betrieb zu bleiben. Eine weitere Herausforderung besteht darin, die Uhren auf der Erde und auf dem Mond gleichzeitig zu überwachen, damit ihr Verhältnis zueinander jederzeit bekannt ist oder aufrechterhalten werden kann. Wir haben mit theoretischen Schätzungen begonnen, die nun von einigen anderen Gruppen bestätigt wurden.«

Relativistische Effekte

In diesem Zusammenhang ist es besonders wichtig, zu berücksichtigen, dass die allgemeine Relativitätstheorie die Berechnung der Zeitunterschiede zwischen Erde und Mond beeinflusst. Das Gravitationspotential der Mondoberfläche ist nämlich wesentlich kleiner (etwa 20 Mal kleiner) als das Gravitationspotential der Erde auf dem Mond. Das bedeutet, dass die Uhren in der Nähe des Mondes schneller ticken als auf der Erde. Der Mond dreht sich einmal im Monat und hat einen kleineren Radius als die Erde, die sich einmal am Tag dreht. Wie Ashby und Patla weiter ausführen, ist die Zeitdilation auf der Mondoberfläche im Allgemeinen geringer als auf der Erdoberfläche, aber es gibt Komplikationen aufgrund der Quetschung an den Polen der Körper – das heißt aufgrund der Tatsache, dass sie nicht vollkommen kugelförmig sind.

Zu diesem speziellen Thema – also zur Berechnung von Zeitdifferenzen – wurde auf arXiv ein Preprint von Sergei Kopeikin von der University of Missouri in Columbia und George H. Kaplan vom U. S. Naval Observatory in Washington veröffentlicht. »Die allgemeine Relativitätstheorie beeinflusst die Berechnung der Zeitunterschiede zwischen Erde und Mond, weil sie sich in ihren Gravitationsfeldern und der relativen Bewegung unterscheiden«, erklären die beiden Autoren gegenüber »Le Scienze«. »Zu den wichtigsten Effekten bei der Zeitmessung auf dem Mond gehören drei Schlüsselphänomene. Erstens die gravitative Zeitdilatation: Nach der allgemeinen Relativitätstheorie läuft die Zeit in den stärksten Gravitationsfeldern langsamer und da das Gravitationsfeld der Erde stärker ist als das des Mondes, laufen die Uhren auf dem Mond schneller, mit einer Differenz von etwa 56 Mikrosekunden pro Tag im Vergleich zur Erde.«

Der zweite Effekt hängt mit der relativen Bewegung zwischen Erde und Mond zusammen, die sich ebenfalls auf die Zeitmessung auswirkt. Die Umlaufbewegung des Mondes führt zu relativistischen Effekten, die bei der Zeitberechnung berücksichtigt werden müssen. Um den Zeitunterschied schließlich genau zu modellieren, verwenden wir ein Koordinatensystem (die so genannten Fermi-Koordinaten), das die Erde und den Mond in einem einzigen Inertialsystem im freien Fall um die Sonne betrachtet. »Diese drei Effekte müssen sorgfältig berücksichtigt werden, um genaue und zuverlässige Zeitmessungen bei Mondmissionen und anderen Weltraumaktivitäten zu gewährleisten«, erklären die Autoren weiter.

Aber nur mit einem Netzwerk von Uhren auf der Mondoberfläche und in der Umlaufbahn kann eine koordinierte Mondzeit präzise erstellt und die Synchronisation mit den terrestrischen Zeitsystemen aktiviert werden. Um eine genaue Mondzeit zu gewährleisten, sind natürlich Atomuhren aufgrund ihrer hohen Präzision die erste Wahl, aber es werden auch andere, noch ungenauere, aber billigere Alternativen untersucht, wie zum Beispiel Quarzuhren, die auf der Erde für Aktivitäten verwendet werden, die keine extreme Genauigkeit bei der Zeitberechnung erfordern. Atomuhren haben in der Tat eine gute Stabilität, die eine Genauigkeit von weniger als einer Nanosekunde garantiert, aber gute Quarzoszillatoren können eine Genauigkeit von einigen hundert Nanosekunden bieten.

Zum jetzigen Zeitpunkt, so bestätigen Kopeikin und Kaplan, ist diese Entscheidung noch nicht gefallen, so dass wir nicht wissen, welche Arten von Uhren zum Einsatz kommen werden. Sicher ist, dass dieses Netzwerk von Uhren auch ein Positionierungssystem auf dem Mond unterstützen würde, das eine genaue Navigation und Positionierung auf der Mondoberfläche ermöglicht. Dieses System ist daher für die Erforschung und Weiterentwicklung des Mondes von entscheidender Bedeutung.

Ein Rahmen für Missionen

Wie die Autoren des Preprints weiter ausführen, könnte die Einrichtung eines lunaren Zeitmesssystems wie des LTC erhebliche Auswirkungen auf künftige Missionen zu anderen Himmelskörpern wie dem Mars haben. Die Standardisierung der Zeitmessung würde einen nützlichen Rahmen für die Gewährleistung der Sicherheit und die Koordination von Missionen bieten, während das Verständnis relativistischer Effekte unsere Fähigkeit verbessern würde, Zeitsysteme an planetenspezifische Bedingungen anzupassen. Wenn der Mond skaliert ewrden könnte, würde das die Einführung ähnlicher Systeme auf dem Mars erleichtern und die Navigation sowie die Kommunikation verbessern, auch zur Unterstützung bei menschlichen Aufenthalten und Forschungen.

Dieser Fortschritt würde eine präzisere Synchronisierung von Missionen ermöglichen, die für eine Forschung über lange Zeiträume unerlässlich ist. Darüber hinaus würde ein zuverlässiges Zeitmessungssystem auf dem Mond ein nützliches Modell für die künftige interplanetare Erforschung darstellen, da der Erfolg von Missionen weitgehend von einem präzisen Zeitmanagement und der Navigation abhängt. Dieser Ansatz würde auch die Komplexität angehen, die mit dem Zeitmanagement bei Missionen zum Mars oder zu anderen Himmelskörpern zusammenhängt.

Die NASA strebt die Einführung einer koordinierten Mondzeit bis Ende 2026 an. Dieser Zeitplan steht im Einklang mit den umfassenderen Zielen des Artemis-Programms, das eine dauerhafte menschliche Präsenz auf dem Mond anstrebt. In der Zwischenzeit hat die Internationale Astronomische Union (IAU) eine internationale Arbeitsgruppe eingesetzt, um die LTC genau zu definieren, die als Standard für die Mondaktivitäten aller Nationen dienen soll. Insbesondere die NASA und die Europäische Weltraumorganisation (ESA) werden sich an der Formulierung dieser LTC-Definition beteiligen. Wie bereits erwähnt, sind die Herausforderungen bei der Einführung einer koordinierten Mondzeit zahlreich: die Berechnung der relativistischen Effekte, die Synchronisation zwischen der LTC und den terrestrischen Zeitsystemen, der Einsatz von hochpräzisen Atomuhren auf der Mondoberfläche und in der Umlaufbahn sowie die internationale Zusammenarbeit, die für die Einführung eines allgemein akzeptierten Zeitstandards unerlässlich ist.

»Schließlich«, so Kopeikin und Kaplan, »müssen wir auch die lebensfeindliche Umgebung des Mondes mit ihren extremen Temperaturen und der Strahlung berücksichtigen, die die Leistung und Genauigkeit der Zeitmessgeräte beeinträchtigen könnten und innovative Lösungen zum Schutz und zur Aufrechterhaltung der Funktionsfähigkeit dieser Geräte erfordern«. Forscher, Ingenieure und Techniker arbeiten hart daran, denn das Jahr 2026 steht vor der Tür und der Mond wartet darauf, dass Frauen und Männer seine Oberfläche wieder betreten können. Wenn möglich mit Präzisionsuhren und der Gewissheit, dass sie genau wissen, wo sie sind.