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Russische Physiker lösen Radio-Blackout-Problem bei Wiedereintritt von Raumfahrzeugen
Wenn das Raumfahrzeug zur Erde zurückkehrt, ist einer der angespanntesten Teile der Mission der Funkausfall, der auftritt, wenn das Fahrzeug wieder in die Atmosphäre eintritt. Das Raumfahrzeug bewegt sich mit Hyperschallgeschwindigkeiten zwischen Mach 8 und 15, erhitzt und zersetzt Moleküle in der Atmosphäre, wodurch sich ein Plasma bildet. Es ist diese Plasmahülle, die die Funkkommunikation verhindert.
Bei bemannten Raumfahrzeugen, die aus dem Orbit wieder eintreten, dauert der Funkausfall einige Minuten und verursacht bei allen Beteiligten verschwitzte Handflächen.
Im Laufe der Jahre haben zahlreiche Gruppen verschiedene Möglichkeiten zur Umgehung dieses Problems untersucht. Eine Idee besteht darin, niederfrequente Signale zu verwenden, die nicht durch das Plasma blockiert werden. Diese bieten jedoch nur geringe Datenraten.
Eine andere besteht darin, das Fahrzeug so zu formen, dass sich in bestimmten Bereichen, in denen eine Funkantenne platziert werden kann, kein Plasma bildet. Dafür muss aber das gesamte Fahrzeug um das Kommunikationssystem herum konstruiert werden, das dann nicht mehr verändert werden kann.
Eine weitere Idee ist, die Funkantenne so in den Nasenspike zu platzieren, dass sie aus dem Plasma herausragt. Dies ermöglicht eine Funkkommunikation, bis sich die Antenne durch Ablation abnutzt.
Keine dieser Lösungen ist ideal. Aber heute zeigen Aleksandr Korotkevich vom Landau-Institut für Theoretische Physik in Moskau und ein paar Kumpels einen neuen Weg, dieses Problem zu umgehen.
Ihre Idee ist, die Eigenschaften des Plasmas selbst zu nutzen, um eine Übertragung zu bewirken, so wie ein Judo-Experte die Kraft und Bewegung eines Gegners nutzt, um ihn zu besiegen. Dies scheint ein einfacher und eleganter Ansatz zu sein.
Zuerst einige Hintergründe. Plasmen absorbieren elektromagnetische Wellen nahe einer speziellen Resonanzfrequenz, die Plasmafrequenz genannt wird, die von den Eigenschaften des Plasmas selbst wie seiner Dichte abhängt.
Korotkevich und Co weisen darauf hin, dass jedes eingehende Signal nahe dieser Frequenz vom Plasma sowohl reflektiert als auch absorbiert wird. Das reflektierte Signal geht verloren, aber die absorbierte Energie baut mit dem Plasma in einer bestimmten Tiefe ein elektrisches Resonanzfeld auf.
Das ist ein entscheidender Punkt. Tatsächlich wirkt diese Schicht innerhalb des Plasmas wie eine Funkantenne, die das Signal empfängt. Das Signal kann jedoch nicht weiter durch das Plasma zum Raumfahrzeug gelangen.
Die neue Idee besteht darin, diese Schicht mit Radiowellen zu zappen, die aus dem Raumfahrzeug erzeugt werden. Diese Wellen werden sowohl vom Plasma absorbiert als auch innerhalb des Raumfahrzeugs zurückreflektiert. Der entscheidende Punkt ist jedoch, dass die reflektierten Wellen durch alle Änderungen des elektrischen Felds innerhalb des Plasmas moduliert werden sollten.
Mit anderen Worten, die reflektierten Wellen sollten eine Art Abdruck des ursprünglichen externen Funksignals tragen. Das würde es der Bodenkontrolle ermöglichen, mit ihren Astronauten zu kommunizieren.
Korotkevich und Freunde sagen, dass die gleiche Idee umgekehrt verwendet werden kann, um Signale zu übertragen. Sprengen Sie in diesem Fall einfach die Plasmahülle aus dem Inneren des Raumfahrzeugs mit dem Signal, das sie senden möchten. Dadurch wird das Sendesignal auf das interne elektrische Feld des Plasmas übertragen, das dann ein viel schwächeres Signal in die Atmosphäre abstrahlt.
Korotkevich und Co. sagen, dass die Schwäche des Sendesignals keine Rolle spielt, da bodengebundene Empfänger sehr empfindlich gemacht werden können, sicherlich viel mehr als mobile.
Das ist eine kluge Idee. Tatsächlich verwandeln sie die Plasmahülle in eine riesige Antenne, die sowohl Nachrichten empfängt als auch sendet. Und sie sagen, dass es mit Standardsendern erreicht werden kann, die heute mehr oder weniger von der Stange erhältlich sind.
Es gibt natürlich einige Vorbehalte. Auch wenn die heute veröffentlichte Studie interessant ist, betrachtet sie nur einen idealisierten Fall und es müssen zahlreiche zusätzliche Details berücksichtigt werden, um einen Prototyp zum Laufen zu bringen.
Eine Frage ist beispielsweise, ob die Funksignale das aerodynamische Verhalten des Plasmas verändern und Instabilitäten erzeugen, die das Fahrzeug gefährden könnten.
Korotkevich und Co. sagen das nicht, denn die Funksignale ändern sich viel schneller als jede Plasmainstabilität. Tatsächlich kann man sich das Plasma als bei Radiofrequenzen eingefroren vorstellen, sagen sie.
Dies schließt jedoch nichtlineare Effekte nicht aus, die ein schnelles Anwachsen kleiner Instabilitäten ermöglichen können. Das ist etwas, das genauer untersucht werden muss.
Das große Interesse dürfte natürlich vom Militär kommen. Während der Funkausfall für menschliche Missionen kaum mehr als ein Ärgernis ist, ist er für Militärfahrzeuge wie ballistische Raketen oder Hyperschallflugzeuge eine ernsthafte Einschränkung. Der Funkausfall verhindert, dass diese Fahrzeuge auf GPS-Signale für die Navigation zugreifen und sie können nicht in letzter Minute neu anvisiert oder entschärft werden.
Wenn Korotkevich und Co. einen praktischen Weg gefunden haben, dieses Problem zu lösen, dürften ihre Ideen in bestimmten Kreisen sehr wertvoll sein.
Ref: arxiv.org/abs/0704.3103 : Kommunikation durch Plasmahüllen