Spiegel auf dem Mond

Die Lichtgeschwindgkeit

Messapparatur von A. H. Fizeau zur Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit.

Im Jahr 1849 gelang dem Franzosen Armand Hippolyte Fizeau zum ersten Mal in einem Laufzeit-Experiment die Lichtgeschwindigkeit zu messen. Mit Hilfe einer ausgeklügelten Apparatur ermittelte er die Zeit, die das Licht brauchte, um eine Strecke von gut 8 Kilometern zurückzulegen. Seine Nachfolger vermassen die Lichtgeschwindigkeit mit immer höherer Genauigkeit, bis sie Mitte des 20. Jahrhunderts feststellten, dass sie die Zeit für den Laufweg des Lichtes viel besser bestimmen konnten als dessen Länge. Also drehte man den Spieß einfach um: Man legte die Lichtgeschwindigkeit ein für alle Mal auf 299 792 458 Meter pro Sekunde fest. Andersherum gesagt: der Meter wird heute als die Länge des Weges definiert, den Licht im Vakuum in einer Zeit von 1/299 792 458 Sekunden zurücklegt.

Der "Lunar Laser Retro Reflector" von Apollo 11.

Heute benutzt man die genaue Messung der Lichtlaufzeit beim Bau großer Staudämme und Brücken und auch das Satellitennavigationssystem GPS funktioniert mit dieser genauen Konstante. Im Juli 1969 Begann aber eine ganz besondere Ära der Entfernungsmessung, von der so mancher Wissenschaftler schon lange geträumt hatte.

Die Spiegel

Der Spiegel wird aufgestellt.

Bei drei verschiedenen Mondmissionen (Apollo 11, 14 und 15) haben amerikanische Astronauten "Spiegel" auf dem Mond zurückgelassen. Diese Reflektoren arbeiten nach dem Katzenaugenprinzip, d.h. sie werfen das Licht dorthin zurück, von wo sie es empfangen. Mit ihnen ist eine genaue Bestimmung der Mondentfernung möglich und wird auch seit 1969 kontinuierlich durchgeführt.

Die Messung

Das Laser-Observatorium in der Nähe von Grasse, Frankreich.

Wir haben die Forscher im Obervatoire de la Côte d'Azur bei Grasse in Südfrankreich besucht und bei einer Messung des Mondabstandes beobachtet. Sie schießen einen starken Laserstrahl auf den Mond und messen die Zeit, die das Licht für Hin- und Rückweg braucht. Der Mond ist im Mittel 384.000 Kilometer von der Erde entfernt - das Licht braucht für diese Strecke rund 2,5 Sekunden. Die Wissenschaftler messen die Laufzeit auf 0,1 Nanosekunden (ein Zehntel einer Milliardstel Sekunde) genau und können so die Entfernung des Mondes bis auf drei Zentimeter ermitteln.

Dieses einfache Prinzip ist aber nur schwer zu erreichen: Die Spiegel haben eine Fläche von jeweils einem Quadratmeter und sind in keinem Teleskop zu erkennen. Die Forscher tasten sich jedes Mal an die richtige Position heran, denn sie kennen die Entfernung von bestimmten Mondkratern. Von Vorteil ist dabei, dass sich der Strahl auf seiner Reise zwangsweise aufweitet. Wenn er die Station verlässt ist er 1,5 Meter breit, auf dem Mond rund 10 Kilometer. Die Wissenschaftler schießen also nur in die "vage" Richtung. Dieser Vorteil ist aber auch ein Nachteil. Von den 10¹⁹ (10 Trillionen) Photonen eines Laserpulses findet meist gerade eines den Weg zurück in das Teleskop. Dieses Signal zu entdecken ist eine messtechnische Meisterleistung, die aber regelmäßig gelingt. Wenn die Erdatmosphäre aber zu unruhig ist oder durch nahe Orte oder auch den Mond selbst zuviel Streulicht in das Teleskop fällt, kann eine Messung aber auch scheitern.

Die Wissenschaft

Auch in Wettzell, Bayern, wird die Entfernung zum Mond gemessen.

Die Messungen, die nur an vier Orten der Welt so durchgeführt werden, sind eine wichtige Informationsquelle für verschiedene wissenschaftliche Bereiche. So lässt sich mit ihnen die Veränderung der Tageslänge und die mit ihr verbundene Entfernung des Mondes von der Erde beobachten (im Moment rund 3,8 Zentimeter pro Jahr), die Relativitätstheorie testen und die Geologie des Mondes und der Erde erkunden. Selbstverständlich schlagen sich auch der Gezeitenhub und die Drift der Kontinentalplatten in den Messungen nieder.