Funkstörungen durch Satelliten bedrohen die Astronomie

Sichtbares Licht ist nur ein Teil des elektromagnetischen Spektrums, das Astronomen zur Erforschung des Universums nutzen. Das James Webb-Weltraumteleskop wurde gebaut, um Infrarotlicht zu sehen, andere Weltraumteleskope erfassen Röntgenbilder und Observatorien wie das Green Bank Telescope, das Very Large Array, das Atacama Large Millimeter Array und Dutzende anderer Observatorien auf der ganzen Welt arbeiten daran Radiowellenlängen.

Radioteleskope stehen vor einem Problem. Alle Satelliten, unabhängig von ihrer Funktion, nutzen Radiowellen, um Informationen an die Erdoberfläche zu übertragen. So wie Lichtverschmutzung einen sternenklaren Nachthimmel verdecken kann, können Funkübertragungen die Radiowellen überdecken, die Astronomen nutzen, um etwas über Schwarze Löcher, neu entstehende Sterne und die Entwicklung von Galaxien zu lernen.

Wir sind drei Wissenschaftler, die in der Astronomie und der drahtlosen Technologie arbeiten. Da in den kommenden Jahren voraussichtlich Zehntausende Satelliten in die Umlaufbahn gehen werden und die Nutzung am Boden zunimmt, wird das Funkspektrum immer knapper. Funkruhezonen – Regionen, die meist in abgelegenen Gebieten liegen und in denen bodengestützte Funkübertragungen eingeschränkt oder verboten sind – dienten in der Vergangenheit der Radioastronomie als Schutz.

Da das Problem der Funkverschmutzung weiter zunimmt, müssen Wissenschaftler, Ingenieure und politische Entscheidungsträger herausfinden, wie jeder den begrenzten Bereich der Funkfrequenzen effektiv nutzen kann. Eine Lösung, an der wir in den letzten Jahren gearbeitet haben, besteht darin, eine Einrichtung zu schaffen, in der Astronomen und Ingenieure neue Technologien testen können, um zu verhindern, dass Funkstörungen den Nachthimmel blockieren.

Radiowellen sind die Emissionen mit der längsten Wellenlänge im elektromagnetischen Spektrum, was bedeutet, dass der Abstand zwischen zwei Wellenspitzen relativ weit auseinander liegt. Radioteleskope sammeln Radiowellen in Wellenlängen von Millimeter- bis Meterwellenlängen.

Auch wenn Sie mit Radioteleskopen nicht vertraut sind, haben Sie wahrscheinlich schon von einigen ihrer Forschungsarbeiten gehört. Die fantastischen ersten Bilder von Akkretionsscheiben um Schwarze Löcher wurden beide vom Event Horizon Telescope produziert. Dieses Teleskop ist ein globales Netzwerk aus acht Radioteleskopen, und jedes der einzelnen Teleskope, aus denen das Event Horizon Telescope besteht, befindet sich an einem Ort mit sehr geringen Radiofrequenzstörungen: einer Funkruhezone.

Eine Funkruhezone ist eine Region, in der bodengestützte Sender wie Mobilfunkmasten ihre Leistung senken müssen, um empfindliche Funkgeräte nicht zu beeinträchtigen. In den USA gibt es zwei solcher Zonen. Die größte ist die National Radio Quiet Zone, die 13.000 Quadratmeilen (34.000 Quadratkilometer) umfasst, hauptsächlich in West Virginia und Virginia. Es enthält das Green Bank Observatory. Die andere, Table Mountain Field Site und Radio Quiet Zone in Colorado, unterstützt die Forschung einer Reihe von Bundesbehörden.

Ähnliche Radioruhezonen beherbergen Teleskope in Australien, Südafrika und China.

Große Satellitenkonstellationen wie die von Starlink marschieren in Linien über den Nachthimmel und beeinträchtigen sowohl die sichtbare Astronomie als auch die Radioastronomie.

Am 4. Oktober 1957 brachte die Sowjetunion Sputnik in die Umlaufbahn. Während der kleine Satellit den Globus umkreiste, konnten Amateurfunkbegeisterte auf der ganzen Welt die Funksignale empfangen, die er zur Erde zurücksendete. Seit diesem historischen Flug sind drahtlose Signale Teil fast aller Aspekte des modernen Lebens geworden – von der Flugzeugnavigation bis zum WLAN – und die Zahl der Satelliten ist exponentiell gewachsen.

Je mehr Funkübertragungen es gibt, desto schwieriger wird es, mit Störungen in Funkruhezonen umzugehen. Bestehende Gesetze schützen diese Zonen nicht vor Satellitensendern, was verheerende Auswirkungen haben kann. In einem Beispiel verdeckten die Übertragungen eines Iridium-Satelliten die Beobachtungen eines schwachen Sterns, der in einem geschützten Band der Radioastronomie durchgeführt wurde, vollständig.

Das Problem der Funkstörungen ist nicht neu.

In den 1980er Jahren begann das russische globale Navigationssatellitensystem – im Wesentlichen die sowjetische Version von GPS – mit der Übertragung auf einer Frequenz, die offiziell für die Radioastronomie geschützt war. Die Forscher empfahlen eine Reihe von Lösungen zur Behebung dieser Störung. Als die Betreiber des russischen Navigationssystems einer Änderung der Sendefrequenz der Satelliten zustimmten, war aufgrund mangelnder Tests und Kommunikation bereits großer Schaden angerichtet.

Viele Satelliten blicken auf die Erde und nutzen Teile des Funkspektrums, um Eigenschaften wie die Bodenfeuchtigkeit zu überwachen, die für die Wettervorhersage und Klimaforschung wichtig sind. Die Frequenzen, auf die sie angewiesen sind, sind durch internationale Abkommen geschützt, aber auch durch Funkstörungen gefährdet.

Eine aktuelle Studie hat gezeigt, dass ein großer Teil der Bodenfeuchtigkeitsmessungen der NASA durch bodengestützte Radarsysteme und Unterhaltungselektronik gestört wird. Es gibt Systeme zur Überwachung und Berücksichtigung der Interferenzen, aber die vollständige Vermeidung des Problems durch internationale Kommunikation und Tests vor dem Start wäre für die Astronomie eine bessere Option.

Da das Funkspektrum immer überfüllter wird, müssen sich die Benutzer teilen. Dies könnte das Teilen in Zeit, Raum oder Frequenz beinhalten. Unabhängig von den Besonderheiten müssen Lösungen in einer kontrollierten Umgebung getestet werden. Es gibt erste Anzeichen einer Zusammenarbeit. Die National Science Foundation und SpaceX haben kürzlich eine Vereinbarung zur Koordinierung der Astronomie zugunsten der Radioastronomie angekündigt.

In Zusammenarbeit mit Astronomen, Ingenieuren, Software- und Wireless-Spezialisten und mit Unterstützung der National Science Foundation haben wir eine Reihe von Workshops geleitet, um zu entwickeln, was eine nationale radiodynamische Zone bieten könnte. Diese Zone würde den bestehenden Funkruhezonen ähneln und ein großes Gebiet mit Einschränkungen für Funkübertragungen in der Nähe abdecken. Im Gegensatz zu einer Ruhezone wäre die Anlage mit empfindlichen Spektrummonitoren ausgestattet, die es Astronomen, Satellitenunternehmen und Technologieentwicklern ermöglichen würden, Empfänger und Sender gemeinsam in großem Maßstab zu testen. Ziel wäre es, die kreative und kooperative Nutzung des Funkspektrums zu unterstützen. Beispielsweise könnte eine Zone in der Nähe eines Radioteleskops Systeme testen, um einen breiteren Bandbreitenzugang sowohl für aktive Nutzungen wie Mobilfunkmasten als auch für passive Nutzungen wie Radioteleskope bereitzustellen.

Für ein neues Papier, das unser Team gerade veröffentlicht hat, haben wir mit Nutzern und Regulierungsbehörden des Funkspektrums gesprochen, von Radioastronomen bis hin zu Satellitenbetreibern. Wir haben festgestellt, dass sich die meisten darin einig sind, dass eine dynamische Funkzone dazu beitragen könnte, viele kritische Interferenzprobleme in den kommenden Jahrzehnten zu lösen und möglicherweise zu vermeiden.

Eine solche Zone gibt es noch nicht, aber unser Team und viele Menschen in den USA arbeiten daran, das Konzept zu verfeinern, damit Radioastronomie, Erdbeobachtungssatelliten sowie staatliche und kommerzielle drahtlose Systeme Wege finden können, diese kostbare natürliche Ressource gemeinsam zu nutzen das Funkspektrum.

Christopher Gordon De Pree, stellvertretender Leiter des elektromagnetischen Spektrums, National Radio Astronomy Observatory; Christopher R. Anderson, außerordentlicher Professor für Elektrotechnik, United States Naval Academy, und Mariya Zheleva, Assistenzprofessorin für Informatik, University at Albany, State University of New York

Dieser Artikel wurde von The Conversation unter einer Creative Commons-Lizenz erneut veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.