Computer im Weltall

"Ein Hagel aus Elektronen und Protonen"

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Der Luft- und Raumfahrttechniker Dr. Knut Eckstein ist ein Fachmann für die Anforderungen, die im Weltraum an Computer gestellt werden. In dieser - zugegebenermaßen plakativen - Montage haben wir Eckstein vor die Darstellung eines Sternenhaufens im Nebel 30 Doradus in der Großen Magellanschen Wolke, 170 000 Lichtjahre entfernt von der Erde, geschnitten
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Rosenheim - Der Computer bei der Mond-Mission war nur ein besserer Taschenrechner? Ein Experte erklärt, was Computer im Weltraum so alles leisten müssen.

Über die Raumfahrt – und auch über die Computer, die dabei zum Einsatz kommen – kursieren in Medien und Popkultur zahlreichen Mythen. Etwa, dass der Computer, der bei der Apollo-Mission zum Mond im Einsatz war, aus heutiger Sicht eher einem Taschenrechner als einem Computer glich.

Dr. Knut Eckstein, diplomierter und promovierter Luft- und Raumfahrttechniker, ist ein Fachmann, was das weite Feld der "Computer im Weltraum" betrifft. Beruflich ist er für die Europäische Weltraumorganisation tätig, privat war er am Dienstagabend im Rahmen des Astro-Kolloquiums der Stermwarte an der Hochschule Rosenheim zu Gast. Dabei machte Eckstein seinen Zuhörern deutlich: Computer im Weltraum, das sind weit mehr als in Raumschiffen verbaute Taschenrechner. Ganz im Gegenteil: Die Anforderungen an die Technik sind im All enorm.

Plastikgehäuse würden einfach "ausgasen"

Einfach irgendeinen Chip verwenden? Das ist schon einmal eine schlechte Idee. Ein Plastikchipgehäuse etwa erfüllt im Weltraum seinen Zweck nicht, "weil sehr viele Plastiksorten im Vakuum ausgasen", erklärte Eckstein. Abgesehen davon, dass der Kunststoff dadurch spröde wird, kann dieses Ausgasen weitere negative Folgen haben, etwa wenn sich die ausgegasten Weichmacher als Niederschlag auf eine Teleskoplinse setzen.

Warme Luft steigt nicht einfach auf

Auch die Temperatur stellt die Experten vor vielfältige Herausforderungen. "Ein Satellit muss massive Temperaturunterschiede ausgleichen", so Eckstein. Die zur Sonne gewandte Seite ist sehr heiß, auf der anderen Seite strahlt der Satellit selbst viel Wärme ab – und in der Computerbox soll es dann aber konstant um die zehn, zwanzig Grad kühl sein.

Satelliten sind durch die Sonne starker Hitze ausgesetzt, strahlen auf ihrer dunklen Seite aber selbst viel Wärme ab (zum Vergrößern Bild anklicken)

Die Wärme, die der Computer selbst produziert, sollte selbstverständlich auch irgendwie entweichen. Im Vakuum muss man zum Wärmetransport spezielle Techniken einsetzen, oder das Computersystem in einem künstlich mit Stickstoff gefüllten Gehäuse betreiben, das natürlich sehr gut dicht halten muss, sonst ist der schöne Stickstoff im Nu in den Weiten des Weltalls verschwunden. Gut, dass warme Luft aufsteigt – schlecht, dass in der Schwerelosigkeit nichts "aufsteigen" kann. Eine Option, um regelrechte "Stickstoffblasen" um den Prozessor herum zu vermeiden, ist denkbar simpel: Ein Ventilator fächert die warme Luft weg vom Prozessor zu den Wänden des Gehäuses, von wo die Wärme ins All abgestrahlt werden kann.

Ein "Zoo" an Strahlungsteilchen

Im Weltraum schwirren allerlei Teilchen umher, die unterschiedlichen Ursprungs sind und die die unterschiedlichsten Effekte haben. "Das ist ein regelrechter Zoo da draußen", sagte Eckstein. Die sogenannte "Weltraumstrahlung" besteht, anders als der Name vermuten lässt, nicht aus elektromagnetischer Strahlung (also etwa aus sichtbarem Licht, UV- oder Gamma-Strahlung), sondern aus Strömen massebehafteter Teilchen. "Das heißt, Sie sitzen in einem Hagel von Elektronen (Beta-Strahlung), Heliumatomkernen (Alpha-Strahlung) und Protonen." Daneben schwirren auch schwere Ionen und Antiprotonen im Weltraum umher.

Strahlung, 45 Millionen mal stärker als am CERN

Besonders knifflig für die Experten ist, dass – grob gesagt – die Teilchen immer mehr Energie haben, je weiter sie von der Erde entfernt "losgeflogen sind". Während Sonnenwinde Teilchen mit einem Mega-Elektronenvolt ins All schleudern, fliegen interstellar schon Teilchen mit einem Giga-Elektronenvolt durch den Weltraum – das ist das tausendfache. Zum Glück kommen diese höherenergetischen Teilchen deutlich seltener vorbeigeflogen. Der energiereichste Wasserstoffkern, der bislang beobachtet wurde, konnte 100 Milliarden Giga-Elektronenvolt vorweisen. Das ist 45 Millionen mal mehr Energie, als bei den energiereichsten Teilchen im Teilchenbeschleuniger im berühmten CERN in der Schweiz.

Besonders viele Teilchen schwirren übrigens um den Jupiter. Der größte Planet unseres Sonnensystems besitzt ein hundert mal stärkeres Magnetfeld als die Erde und fängt damit weit mehr Teilchen ein. Die Strahlung bei einem nahen Vorbeiflug entspricht dort deshalb dem Tausendfachen der für einen Menschen tödlichen Dosis.

Wenn der Speicher eins statt null anzeigt

Für Computer kann die Strahlung unerwünschte Folgen haben. Trifft ein Elektron auf einen Halbleiter, erzeugt dies einen zusätzlichen Strom, weshalb eine Speicherzelle, die null und eins zählt, mitunter den falschen Wert zählt – also etwa eins statt null – und schon liegt ein Messfehler vor. Weltraumstrahlung kann aber auch permanente Fehler verursachen. Trifft ein schweres Ion auf einen Halbleiter, kann ein neuer Strompfad entstehen. Der daraus folgende Kurzschlussstrom kann das Halbleiterelement komplett zerstören. Ein weiterer möglicher Fehler ist, dass eine Speicherzelle auf einem bestimmten Wert quasi "regelrecht festgenagelt" wird, wie Eckstein erläuterte.

Mehr Aluminium, mehr Rechner

Um die Computer in Satelliten, Raumsonden und Co. besser zu schützen, gibt es verschiedenste Möglichkeiten. So sind besonders feine – und damit leistungsfähige – Halbleiterstrukturen auch besonders anfällig für Schäden in ihrem Kristallgitter. "Sonderwünsche" lässt sich die Halbleiterindustrie inzwischen aber teuer bezahlen. In den frühen Sechziger Jahren etwa hat die Raumfahrt den halben Weltmarkt gekauft, heute werden Halbleiter jedoch massenhaft in Smartphones und Co. verbaut. Weil sich die Industrie darauf eingestellt hat, sind Halbleiter für Smartphones eher günstig – und für Satelliten eher teuer.

Eine weitere Möglichkeit, Computer im Weltraum zu schützen, ist das Aluminiumgehäuse – je dicker, desto besser. Rund um den Jupiter etwa hilft aber auch dies nur noch bedingt – zu stark ist dort die Weltraumstrahlung. Unverzichtbar ist es für Rechnersysteme deshalb, gleich mehrere Computer einzusetzen. Hat einer von ihnen einen Fehler, fällt dies schnell auf. Außerdem ist es so weniger schlimm, wenn ein Rechner ganz ausfallen sollte.

Der Apollo-Computer war eben doch leistungsfähig

Unvergessen: die Apollo-11-Mission zum Mond. Hier im Bild: Buzz Aldrin, der zweite Mann auf dem Mond (zum Vergrößern Bild anklicken)

Der berühmte Computer auf der Apollo 11-Mission zum Mond verarbeitete 40.000 Instruktionen pro Sekunde. Das klinge nicht nach viel, sagte Eckstein. Andererseits wisse er nicht, ob damit unbedingt jeder Taschenrechner mithalten könne. Außerdem hatte der Apollo-Computer nur eine einzige Aufgabe: die Bahnregelung. "Was den Rechner ausgezeichnet hat, war, dass er viele Schnittstellen bedienen konnte", so Eckstein. Der Computer hatte unter anderem eine Verbindung zum Sextanten des Raumschiffs, war dadurch eine große Unterstützung für die Astronauten.

Auch die vier miteinander vernetzten Rechner im Space Shuttle der NASA waren Eckstein zufolge "mit an der Spitze dabei", als das Shuttle geplant wurde. Als das Shuttle Anfang der Achtziger zum Einsatz kam, sah das schon wieder anders aus. Weil die Planungen, Bau und Test dieser Computer schon ein paar Jährchen dauerten, hinkte auch das fertige Computersystem ein bisschen hinter den ständig fortschreitenden technischen Möglichkeiten hinterher.

Quelle: rosenheim24.de

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