Laser-Entfernungsmessung (Mond-Erde)

Hallo  ,

Auf dem Mond wurden ja so Spiegel aufgestellt, um durch die Laufzeit eines Lichtsignals die genaue Entfernung vom Mond zur Erde zu messen. Diese Spiegel sind ja relativ klein, wie schafft man es dann, diese so genau mit einem Laser zu treffen? Ist es überhaupt möglich einen stark gebündelten Laser auf eine so kleine Stelle in so großer Entfernung zu fokkusieren? Wirken sich da nicht schon quantenmechanische Effekte (unschärfe) aus?

Hallo und auch dir ein Willkommen bei uns.

Ein Laserstrahl bleibt nicht gebündelt, sondern fächert auf. Auf überschaubaren Distanzen ist das nicht spürbar, auf der Entfernung Erde-Mond hingegen schon. Man muss also nicht einen winzigen Punkt auf die Spiegel ausrichten, sondern eher "grob" Richtung Mond oder Landestelle zielen.

Naja, ganz so grob ist es nicht. Ich hatte mal einen Bericht im TV gesehen über eine Stelle in den USA, die regelmäßige Messungen durchführt. Soweit ich mich erinnere war der Duchmesser des Lichtkreises auf dem Mond noch deutlich unter einem Meter.
Da hat mich die Erinnerung wohl doch ziemlich getäuscht (siehe Gertruds Beitrag). 

GG

Hallo Zusammen,

hier habe ich einen Link zur besseren Erklärung des Verfahrens.

http://tau.fesg.tu-muenchen.de/~fesg/web/forschung/llr/llr.php

einen Auszug aus dem Artikel

Die heute eingesetzten Nd:YAG-Festkörperlaser werden mit einer Pulsfolgefrequenz von 10 Hz betrieben, so daß während der Laufzeit eines Pulses von 2.55 Sekunden rund 25 Pulse unterwegs sind

Die hohe Sendeleistung nötig, da die nicht zu vermeidenden  Strahlaufweitung die Photonen auf eine Fläche von rund 20 km2 auf der Mondoberfläche verteilt werden. Dieser ausgeleuchteten Fläche steht die geringe wirksame Reflektorfläche von ca. 1 m2 gegenüber.

 Die Atmosphäre stellt ein beträchtliches Hindernis dar.
Es führt die Luftunruhe zu Wellenfrontverschiebungen des Sendesignals und damit zu einem Herumtanzen des ,,Lichtflecks'' auf der Mondoberfläche.

unten aus dem Artikel zitiert.

Außer den Laufzeiten und Epochen werden auf den Bodenstationen meteorologische Daten wie Temperatur, Feuchte und Luftdruck gemessen, um auf Pulsausbreitung im Vakuum reduzieren zu können. Aber auch das auf dem Signalübertragungsweg Erde-Mond bestehende Gravitationspotential vor allem der Sonne verlängert die Laufzeit und führt zur Strahlkrümmung, was gegenüber der Pulsausbreitung im feldfreien Vakuum mehrere Meter ausmacht. Das zwingt dazu, auch die Pulsausbreitung konsistent in nach-Newton'scher Näherung der Einstein'schen Gravitationstheorie zu behandeln

dort wird auch das Meßproblem genau beschrieben.

Die verbesserte Instrumentenausstattung macht eine Genauigkeit von 5 mm möglich.

der Artikel ist sehr umfangreich und mit Diagramme versehen.

Gertrud

Hallo,

ich hatte heute einen ähnlichen Artikel gefunden, konnte aber aus dem Büro nichts schreiben. Die Auffächerung ist also deutlich, auch wenn ich mehr erwartet hätte, aber das Springen des Zielpunkts durch das Flimmern der Atmosphäre ist auf diese Entfernung das größte Problem

Wie kann man auf dem Mond mit einem Laser einen bestimmten Punkt treffen, wo sich doch die Erde weiterdreht und damit der Laserstrahl wohl auch weiterschwenkt und sich auch der Mond weiterbewegt? Der Laserstrahl ist 1,5 Sekunden unterwegs. Wie aus einem fahrenden Zug einen Schuß auf ein sich bewegendes Ziel abgeben.
Dazu kommt, dass man eigentlich nur sehr grob das Ziel auf dem Mond anvisieren kann.


bombat

Wie kann man auf dem Mond mit einem Laser einen bestimmten Punkt treffen, wo sich doch die Erde weiterdreht und damit der Laserstrahl wohl auch weiterschwenkt

Nun man, kann ja eine Nachführung die genau die Bewegung relativ zum Mond ausgleicht benutzen. Zudem hat der Laserstrahl auch eine Divergenz d.h. er wird auch Kegelförmig breiter (bis zum Mond ist es ein ganzes Stück - nicht wie nur bis zum Nachbarhaus  ). Die dort platzierten Reflektoren  haben "Katzenaugen" die das Licht in die gleiche Richtung Reflektieren. Also es scheint zu klappen und sie bestimmen die Erde-Mond Endfernung auf cm genau.

Bei der Auffächerung des Laser gehe ich gedanklich durchaus mit, auch weil ich es im Lexikon gelesen habe.
Jedoch habe ich meine Probleme mit der Nachführung, da ja wohl nur kurze Impulse, wie eine Gewehrkugel, gesendet werden. Das Verhalten des Impulses auf dem Weg zum Mond wäre dann genauso, wie bei der Gewehrkugel, also vorbei am angezielten Punkt, weil man nicht genau den Vorhaltepunkt berechnen kann. Zurück kommt genau dieser Effekt noch einmal zum Wirken und bedeutet, wenn wirklich getroffen wurde, dass das Ziel auf der Erde genauso verfehlt wird, weil ja nicht vorgehalten werden kann aufgrund der direkten Reflektion. Oder liege ich da falsch?


"If We Are Alone in the Universe, Then It Is an Awful Waste of Space." C.Sagan
und die grobe Übersetzung
"Wenn wir allein sind im Universum, dann ist es eine schreckliche Verschwendung von Speicherplatz"

Warum diese Bemerkung?

Offensichtlich liegst du falsch, denn diese Messungen werden ja erfolgreich durchgeführt. Allerdings ist das Ganze eine hochkomplizierte Angelegenheit, und die Astronomen müssen mit Hilfe statistischer Methoden verifizieren, ob sie neben den zufällig auftreffenden Photonen auch welche messen, die aus diesem Laserstrahl stammen. Manchmal klappt es auch gar nicht, und etwa der Reflektor von Lunochod 2 wirft sehr wenige Photonen zurück. Bei bestimmten Sonnenständen ist dieser Reflektor sogar fast sicher unbrauchbar. Deswegen war man ja auch so froh, als der Lunar Reconnaissance Orbiter Fotos gemacht hatte, auf denen man Lunochod 1 erkennen konnte, dessen genaue Position auf der Oberfläche unbekannt gewesen war. Nach ca. 40 Jahren ist dieser Reflektor nun also wieder verwendbar.

Auch die Reflexion an einem beinahe perfekten Spiegel ist nicht auf unendlich viele Stellen genau. Es gibt eine gewisse Auffächerung. So ist dies auch bei den eingesetzten Prismen, die mit Totalreflexion arbeiten.

Von der Erde zum Mond fächert der Laserstrahl auf 20 km² auf, zurück empfängt man Photonen auf einer noch größeren Fläche, einige Hundert Quadratkilometer. Den Detektor treffen nur einzelne Photonen. Bei einem Großteil der Einzelimpulse kommt auch gar kein Photon auf den Detektor zurück, wenn ich das richtig verstanden habe. Man misst dann pro Nacht mehrere Stunden lang, um zu einem vernünftigen Ergebnis zu gelangen.

Zudem muss das Photon von den anderen unterschieden werden, die massenhaft vom hell beleuchteten Mond kommen. Auch Streulicht aus der Atmosphäre kann stören. Die ganze Sache ist eine komplizierte Aufgabe, die man aber seit 1969 recht gut im Griff hat, heute von mehreren Standorten weltweit und höherer Genauigkeit.

Da man immer die gleiche Messmethode verwendet, kann man aus den Laufzeitunterschieden auf Änderungen im Abstand von Mond und Erde aber auch auf die Geschwindigkeit der Kontinentaldrift auf der Erde rückschließen.

Da habe ich noch etwas gefunden: http://de.wikipedia.org/wiki/Entfernungsmessung#Entfernung_des_Mondes

So konnte z. B. festgestellt werden, dass sich der Mond um etwa 3,8 cm pro Jahr von der Erde entfernt.

und

Mit dem 3,5-Meter-Teleskop der Apache-Point-Sternwarte in New Mexico liegt seit 2006 die Genauigkeit der bisher gesammelten Daten im Millimeterbereich.

Nach der Darstellung von "GG" könnte man die damalige Darstellung der "Einfachheit" der Laserentfernungsmessung durchaus anzweifeln, was wiederum die sofortige Funktionalität in Frage stellt, wie es in einem Film dargestellt wurde.
Impuls absenden und 3 Sekunden später sofortiger Rückkehrimpuls.

Zittat von "GG"

Von der Erde zum Mond fächert der Laserstrahl auf 20 km² auf, zurück empfängt man Photonen auf einer noch größeren Fläche, einige Hundert Quadratkilometer. Den Detektor treffen nur einzelne Photonen. Bei einem Großteil der Einzelimpulse kommt auch gar kein Photon auf den Detektor zurück, wenn ich das richtig verstanden habe. Man misst dann pro Nacht mehrere Stunden lang, um zu einem vernünftigen Ergebnis zu gelangen

Nun gut, lassen wir das. Die Messung ist möglich. Reicht mir.

Ne!!! Doch nicht! Neue Antwort.

bombat

Es gibt eben in der Astronomie oder Raumfahrt heute kaum noch Messverfahren, die nicht an die Grenzen der normalen Vorstellungskraft stoßen. Selbst mit preiswerten Amateurteleskopen und relativ normalen Kameras sowie ein wenig Mechanik kann man faszinierende und farbige Bilder von astronomischen Objekten machen, die man weder mit dem bloßen Auge noch mit einem guten Fernglas sehen kann. Auch unsere heutigen Computer sind ein Beispiel dafür. Kaum jemand kann sich vorstellen, wie man mit ein paar Milliarden Schaltern und Drähten ein so vielseitiges und unterhaltsames Gerät realisieren kann.

An die Modertoren: Bitte Threat mit diesem zusammenführen: https://forum.raumfahrer.net/index.php?topic=5065.0  und diese Meldung löschen
Dort fand ich auch diesen Link http://www.fesg.bv.tum.de/91872--%7Efesg%7Eforschung%7Ellr.html

Danke für den Hinweis, Major_Tom, ist erledigt

Ich werde deinen Post aber nicht löschen, der Link kann ja gerne hier stehen bleiben

Ich muß nochmal nachhaken! Es steht ja nicht nur ein Reflektor, sondern 5 von den Apollomissionen, auf dem Mond. Jeder hat einen anderen Abstand zur Erde, besser zum Sender.
Wer weis denn, welcher Reflektor gerade, durch die Auffächerung des Laserstrahles, getroffen wurde? Oder sogar zwei. Niemand!
Frage: Wird durch diese Möglichkeit die Messung der Entfernung Erde-Mond mit der Genauigkeitsangabe von cm nicht absurd. Eigentlich völlig unmöglich???

bombat

Das geht ziemlich gut

Der Laserstrahl fächert sich ja auf 20 Quadratkilometer etwa auf, die Reflektoren haben aber Abstände von hunderten Kilometern. Da kann man schon exakt bestimmen, welchen man anvisiert.

PS: Wenn du zitierst, nimm doch die Zitat-Funktion, die du bei jedem Beitrag siehst. Die Schriftgröße, die du gern nimmst, sieht nicht so toll aus

Ne! Das kauf ich so nicht ab. Denke an die ständige Bewegung des Mondes um die Erde und der Erddrehung. Das sind zwei verschiedene Winkelgeschwindigkeiten, sonst wäre es ja eine geostationäre Bahn. Zwar in die gleiche Richtung, aber eben unterschiedlich und weiter gibt es verschiedene Angaben zur Auffächerung. 
Ich habe im Lexikon Angaben gefunden, wo man von 1m Teleskopausgang auf 250m auf dem Mond kommt. Bleibt als größter Unsicherheitsfaktor der Einfluß der Erdatmosphäre. Wobei bei dieser sehr kleinen Fläche auf dem Mond dann Dauerfeuer gegeben werden müßte, um überhaupt einen Spiegel mal zu treffen bei minimalsten Winkeländerungen des Senders zur Suche eines Spiegels. Ob man diese kleinsten Winkeländerungen beherrscht?


bombat

Dies ist ein Forum interessierter Laien, bombat, nicht in erster Linie von Fachleuten. Bessere Antworten darfst du hier nicht erwarten. Und wie dir bereits mitgeteilt wurde, ist es extrem aufwändig, diese Messungen durchzuführen, und zuweilen gelingen sie auch nicht. Ot genug sind die Wissenschaftler aber erfolgreich. Das wird dir genügen müssen.

Oder beharrst du weitherhin auf deiner Position, die man als "Ich verstehe es nicht, also kann es nicht funktionieren!" zusammenfassen könnte?

Ob man diese kleinsten Winkeländerungen beherrscht?

Ja tut man, deshalb funktioniert das ja auch

Aber du hast schon recht, das ist ziemlich anspruchsvoll

Also, nach meinen Berechnungen ergibt sich bei einer Fläche mit einem Durchmesser von 2000 km und rund 380.000 km Entfernung Erde-Mond ein Öffnungswinkel von 0,3 Grad. Bei 200 km Durchmesser kommt erst mal eine Null nach dem Komma.
Das heißt für mich, der Sender müßte bei 20 km Durchmesser der Auftrefffläche des Laser mit einer Genauigkeit von 0,003 Grad genau bei ständiger Nachführung ausgerichtet werden, um das Ziel zu treffen. Das ist die notwendige Genauigkeit,  um eine Auslese eines einzelnen Reflektors auf dem Mond von 5 Apolloreflektoren zu erreichen.
Oder meine Berechnungen sind falsch, was zu beweisen wäre.


bombat

0,003 Grad genau bei ständiger Nachführung ausgerichtet werden, um das Ziel zu treffen.

Ich geh mal davon aus, dass das stimmt. 0,003 Grad entsprechen 10,8 Bogensekunden. Wenn ich mich nicht irre erreichen bereits Amateurteleskope eine Einstellgenauigkeit von unter 1 Bogensekunde. Daran scheitert das also nicht

Nach meinen Nachforschungen liegt die Genauigkeit wohl sogar bei 0,4 Bogensekunden.

Das war es eigentlich, was ich in Erfahrung bringen wollte. Ich wußte nicht wo ich suchen sollte.
So ging es am Besten.
Danke!

bombat

Zusatz: 03.10. 2011 12:47
Aus der WEB-Seite meines Nachfolgers kann man entnehmen, das die Messung der Entfernung Mond-Erde wohl doch nicht so einfach ist, weil Störfaktoren dort genannt werden, die ich noch garnicht kannte und das korrekte Zielen beeinflussen. Völlig unabhängig von der Bogenwinkelgenauigkeit der Lasersender und Teleskope. Sollte mal jeder selbst, bei Interesse, lesen.
Ich möchte frühere Fragen nicht wieder Aufwärmen.

Bei der TU München wird angegeben, dass man für diese Messungen eine Ausrichtgenauigkeit von 2 Bogensekunden benötigt. Das gab es eben schon in den 1960er Jahren, heute erst recht. Unser Amateurteleskop kann das im Übrigen auch.

http://www.fesg.bv.tum.de/91872--~fesg~forschung~llr.html

Ich habe in einer Beschreibung für Lasermessung gefunden, dass man überhaupt keinen Reflektor gebraucht.
Lesch, als anerkannter "Weltraummotorator", hat selbst die Mondoberfläche als ausreichend betrachtet für eine Laservermessung. Wieso dann der Rummel um die Spiegel von Apollo?