Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Pioneer Anomalie entschlüsselt

27.05.2011
Geheimnisvolle Positionsabweichungen der Raumsonden Pioneer 10 und 11 nach jahrelanger Forschung aufgeklärt / Forscherteam der Universität Bremen beteiligt

Seit 1979 registriert die NASA eine winzige Abbremsung der Pioneer-Sonden, die im Laufe der Jahrzehnte zu einer Abweichung von der berechneten Flugbahn von mehr als 650.000 km geführt hat. Das faszinierende Phänomen beschäftigte Forschungsgruppen aus aller Welt, deren Lösungsansätze z.B. die Anziehungskraft dunkler Materie einbezogen oder sogar eine Modifizierung des Gravitationsgesetzes.


Das Bild zeigt links ein mathematisches Computermodel der Pioneer-Sonde, ein sogenanntes "Finite Element-Model" (FE-Model) auf dessen Grundlage Benny Rievers seine Berechnungen gemacht hat. Das rechte Bild zeigt einen Nachbau der Pioneer-Sonde. ZARM

Seit März 2011 ist es nun nachgewiesen, dass Wärmestrahlung – also elektromagnetische Wellen – für die Abbremsung der beiden Sonden verantwortlich ist. Dabei wurden sowohl die Auswirkungen der direkten Wärmeabstrahlung als auch deren Reflektion an verschiedenen Bauteilen der Sonde mit einbezogen. Eine wichtige Rolle in der Gesamtberechnung spielt dabei die Wärmeabgabe der Atombatterien, die die Zerfallswärme des Plutoniums zum Teil in Elektrizität umwandeln und den Rest in den Weltraum abstrahlen. Zusätzlich gibt der Satellit die von den elektrischen Verbrauchern erzeugte Abwärme ab. Wenn diese Hitzeabstrahlung nicht absolut gleichmäßig in alle Richtungen erfolgt, führt dies bereits zu einem wahrnehmbaren Einfluss auf die Flugbahn.

Bis dieses Ergebnis vorgelegt werden konnte trafen sich Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus den USA, Kanada, Frankreich, Norwegen, Italien, Großbritannien, den Niederlanden und Deutschland zum jährlichen Workshop in Bern. Darunter auch das Team von Professor Claus Lämmerzahl vom Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) an der Universität Bremen.

Das Bremer Team beschäftigt sich seit vier Jahren intensiv mit einer ausführlichen Thermalanalyse der Sonden. Anhand eines detaillierten mathematischen Modells des Satelliten in Kombination mit dem von der NASA bereitgestellten Datenmaterial berechnet ZARM-Mitarbeiter Benny Rievers die Oberflächentemperaturen zu jedem Zeitpunkt der Mission und anschließend die resultierenden Rückstoßkräfte. Dazu war es notwendig, einen speziell angepassten Raytracer (mathematisches Verfahren zur Verfolgung von (Licht-) Strahlen in 3D) zu entwickeln. Basierend auf den Temperaturdaten vom Satelliten unter Berücksichtigung der Reflektionseigenschaften des Oberflächenmaterials, ist der Raytracer in der Lage, die entstehenden Kräfte hochgenau zu berechnen.

Thermale Rückstoßkräfte sind Grund der Anomalie

Bereits 2009 konnte Rievers bestätigen, dass die Thermalstrahlung einen erheblichen Anteil an den Positionsabweichungen der Sonden hat. Im Jahr darauf lieferte eine verbesserte Version des Raytracers und eine detailliertere Modellierung des Satelliten mit einer Genauigkeit von 20 % den Nachweis dafür, dass thermale Rückstoßkräfte Grund der Anomalie sind. Um die Berechnungen weiter zu präzisieren, wurden nun auch der detaillierte Innenaufbau des Satelliten und der Wirkungsgrad der elektrischen Konverter mit einbezogen.

Am 27. März 2011 veröffentlichte ein portugiesisches Team um Frederico Francisco eine Arbeit, in der die obigen Ergebnisse für den letzten Teil der Pioneer-Missionen bestätigt wurden. Sie stützten sich dabei auf ein virtuelles dreidimensionales Computermodell der Satelliten. Jetzt ist eine Arbeit von Benny Rievers und Claus Lämmerzahl in den Annalen der Physik publiziert worden, in der mit ihrem verfeinerten Computermodell der Pioneer-Sonden unter Einbeziehung der Temperaturdaten die gemessene anomale Beschleunigung der komplette Mission vom Start bis heute erklärt werden konnte. Mit dieser Erklärung ist es nun mit größter Wahrscheinlichkeit ausgeschlossen, dass dieser anomale Effekt Ergebnis einer „neuen Physik“ ist.

Darüber hinaus sind Rievers Berechnungen auf jedes andere Raumfahrzeug übertragbar. So wurde dieses Verfahren auch auf die sogenannte Flyby-Anomalie der Rosetta-Sonde (ein unerklärtes Anwachsen der Geschwindigeit um 3,9 Millimeter pro Sekunde der Rosetta-Sonde beim Vorbeiflug an der Erde) angewendet. Er konnte nachweisen, dass diese Anomalie nicht auf die Auswirkungen von Thermalstrahlung zurück zu führen ist. Damit bleibt die „Flyby-Anomalie“ der Rosetta-Sonde, weiterhin ungeklärt – und damit letztendlich auch die Frage, ob fundamentale Gesetze der Physik möglicherweise doch noch einmal überdacht werden müssen.

Weitere Informationen:

Universität Bremen
Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM)
Benny Rievers
Tel.: 0421 / 218 4803
E-Mail Benny.rievers@zarm.uni-bremen.de
Prof. Dr. Claus Lämmerzahl
Tel.: 0421 / 218 8687
E-Mail claus.laemmerzahl@zarm.uni-bremen.de
Detailinformationen zur wissenschaftlichen Methodik:
Um die thermalen Rückstoßkräfte zu berechnen, müssen zunächst die Gleichgewichtstemperaturen bestimmt werden. Hierzu wird das Raumfahrzeug mittels Finiten Elementen modelliert, wobei Rievers sich - aufgrund der späteren Verwendung des Oberflächenmodells für die Kraftberechnung - auf Hexaeder (für Volumenelemente) und Rechtecke (für Oberflächen) beschränkt. Um die Temperaturen für eine bestimmte Konfiguration (z.B. Zeitpunkt der Mission) zu berechnen, müssen die aktuelle Umgebung und die zu diesem Zeitpunkt gültigen Messdaten als Randbedingungen definiert werden. Nun werden noch Materialeigenschaften zugewiesen, eine steady-state-Analyse durchgeführt und das Oberflächenmodell sowie die Oberflächentemperaturen exportiert. Mit diesen Informationen wird der Raytracer gefüttert, der die resultierende Kraft berechnet. Die Berechnung ist sehr komplex, da unterschiedliche Oberflächen Strahlung austauschen können und hierfür geometrische Sichtfaktoren zwischen allen Modelloberflächen bestimmt werden müssen. Es wurde die 8-Stützstellen Gauss-Integration für vier Dimensionen verwendet, was eine hohe Genauigkeit ermöglicht, jedoch auch eine lange Rechenzeit zur Folge hat.
Die Berechnung der geometrischen Sichtfaktoren für das Pioneer-Modell dauert z.B. auf einem gewöhnlichen 4-Kern Prozessor ungefähr zwei Tage (bei ca. 17.000 Oberflächenelementen und 1.000.000 Strahlen pro Element). Glücklicherweise lässt sich diese Information weiterverwenden für andere Missionszeitpunkte, da sich die Geometrie des Satelliten über die Mission nicht ändert.

So hat man schließlich die Rückstoßkraft für einen Zeitpunkt bestimmt. Für die Berechnung weiterer Konfigurationen, muss man wieder in die FE-Modellierung gehen, die Randbedingungen anpassen, das System erneut lösen, erneut exportieren, erneut in den Raytracer stecken usw. Diese Prozedur wurde vollautomatisiert, so dass es nun möglich ist, die Trajektorie und die gewünschte zeitliche Auflösung anzugeben, die Rechnung zu starten und nach einiger Zeit die Ergebnisse automatisch zu erhalten. Hierfür wurde die ANSYS parametric design language verwendet, so dass die Modellierung als Code erfolgt und nicht in einer grafischen Oberfläche.

Die Ergebnisse wurden veröffentlicht unter:
http://arxiv.org/abs/1104.3985
Ann. Phys. (Berlin) 523 (2011) [6] (DOI: 10.1002/andp.201100081) (11 pp.) ab 27. Mai 2011
High precision thermal modeling of complex systems with application to the flyby and Pioneer anomaly

Benny Rievers and Claus Lämmerzahl

Angelika Rockel | idw
Weitere Informationen:
http://arxiv.org/abs/1104.3985
http://www.uni-bremen.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Planeten außerhalb unseres Sonnensystems: Bayreuther Forscher dringen tief ins Weltall vor
23.02.2017 | Universität Bayreuth

nachricht Kühler Zwerg und die sieben Planeten
23.02.2017 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: „Vernetzte Autonome Systeme“ von acatech und DFKI auf der CeBIT

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Kooperation mit der Deutschen Messe AG vernetzte Autonome Systeme. In Halle 12 am Stand B 63 erwarten die Besucherinnen und Besucher unter anderem Roboter, die Hand in Hand mit Menschen zusammenarbeiten oder die selbstständig gefährliche Umgebungen erkunden.

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für...

Im Focus: Kühler Zwerg und die sieben Planeten

Erdgroße Planeten mit gemäßigtem Klima in System mit ungewöhnlich vielen Planeten entdeckt

In einer Entfernung von nur 40 Lichtjahren haben Astronomen ein System aus sieben erdgroßen Planeten entdeckt. Alle Planeten wurden unter Verwendung von boden-...

Im Focus: Mehr Sicherheit für Flugzeuge

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem totalen Triebwerksausfall zum Einsatz kommt, um den Piloten ein sicheres Gleiten zu einem Notlandeplatz zu ermöglichen, und ein Assistenzsystem für Segelflieger, das ihnen das Erreichen größerer Höhen erleichtert. Präsentiert werden sie von Prof. Dr.-Ing. Wolfram Schiffmann auf der Internationalen Fachmesse für Allgemeine Luftfahrt AERO vom 5. bis 8. April in Friedrichshafen.

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem...

Im Focus: HIGH-TOOL unterstützt Verkehrsplanung in Europa

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt sich bewerten, wie verkehrspolitische Maßnahmen langfristig auf Wirtschaft, Gesellschaft und Umwelt wirken. HIGH-TOOL ist ein frei zugängliches Modell mit Modulen für Demografie, Wirtschaft und Ressourcen, Fahrzeugbestand, Nachfrage im Personen- und Güterverkehr sowie Umwelt und Sicherheit. An dem nun erfolgreich abgeschlossenen EU-Projekt unter der Koordination des KIT waren acht Partner aus fünf Ländern beteiligt.

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt...

Im Focus: Zinn in der Photodiode: nächster Schritt zur optischen On-Chip-Datenübertragung

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium allein – die stoffliche Basis der Chip-Produktion – sind als Lichtquelle kaum geeignet. Jülicher Physiker haben nun gemeinsam mit internationalen Partnern eine Diode vorgestellt, die neben Silizium und Germanium zusätzlich Zinn enthält, um die optischen Eigenschaften zu verbessern. Das Besondere daran: Da alle Elemente der vierten Hauptgruppe angehören, sind sie mit der bestehenden Silizium-Technologie voll kompatibel.

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Aufbruch: Forschungsmethoden in einer personalisierten Medizin

24.02.2017 | Veranstaltungen

Österreich erzeugt erstmals Erdgas aus Sonnen- und Windenergie

24.02.2017 | Veranstaltungen

Big Data Centrum Ostbayern-Südböhmen startet Veranstaltungsreihe

23.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Fraunhofer HHI auf dem Mobile World Congress mit VR- und 5G-Technologien

24.02.2017 | Messenachrichten

MWC 2017: 5G-Hauptstadt Berlin

24.02.2017 | Messenachrichten

Auf der molekularen Streckbank

24.02.2017 | Biowissenschaften Chemie