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Radioastronomie: Handys sind heller als Aliens

Auf der Erde tobt ein Kampf um verfügbare Radiofrequenzen. Davon betroffen ist auch die Radioastronomie. Womöglich bleibt den Fachleuten nur noch ein Zufluchtsort: die Rückseite des Mondes!
Fotomontage eines Mannes, der die Milchstraße mit dem Handy fotografiert.

Die Suche nach Aliens war auch schon mal einfacher. Seit Jahrzehnten bereits halten Forschende im Rahmen von SETI (»Search for Extraterrestrial Intelligence«) Ausschau nach Anzeichen außerirdischer Zivilisationen. Und weil sie nicht wissen, wonach sie suchen sollen, suchen sie vorzugsweise im Radiobereich des elektromagnetischen Spektrums. Das liegt daran, dass Radiowellen ziemlich ungehindert durch das All reisen können und der Radiobereich für die drahtlose Übermittlung von Informationen eine prima Sache ist. Potenzielle Aliens könnten zum gleichen Schluss kommen.

Aber genau darin liegt das Problem: Die großen Radioteleskope der Welt, die ihre Schüsseln und Antennen als passive Empfänger gen Himmel richten, fangen immer mehr menschengemachte Radiosignale auf, die wir selbst mit unseren Handys, unserem W-Lan, unseren Radaranlagen und unseren Satelliten aller Art senden. Man kann es sich ein wenig wie Lichtverschmutzung vorstellen – nur eben mit Radiosignalen.

»Radiointerfenz ist das größte Problem für uns SETI-Forschende«, sagt Alexander Pollak, der am US-amerikanischen SETI-Institut das Allen Telescope Array in Kalifornien betreut. Üblicherweise untersuchen Radioastronominnen und -astronomen kosmische Quellen – sie können Signale, die eindeutig technischen Ursprungs sind, als Störsignale herausfiltern. »Aber wir suchen ja genau nach dieser Art von Technosignatur«, sagt Pollak.

Handys überstrahlen Aliens

Erst im letzten Jahr entpuppte sich ein latent vielversprechender Kandidat namens BLC-1, scheinbar aus dem Sternsystem Proxima Centauri gen Erde gesendet, am Ende umfangreicher Analysen als menschengemachte Radiointerferenz. Vielleicht war ein kaputter Mobilfunkmast am Werk, genau können es die Forscherinnen und Forscher im Nachhinein nicht mehr feststellen. Nur eines ist klar: Aliens waren es nicht.

Die SETI-Forschung ist lediglich ein Beispiel, anhand dessen klar wird, dass Radioastronominnen und Radioastronomen auf der Erde zunehmend mit der »Radioverschmutzung« zu kämpfen haben. Als passive Empfänger sind sie sämtlichen Arten von Störsignalen schutzlos ausgeliefert. Und ihre riesigen Schüsseln – beispielsweise das 100-Meter-Radioteleskop Effelsberg – sind so empfindlich, dass fast alles stört, was nicht wirklich aus dem Kosmos kommt. »Ein Handy auf dem Mond wäre die fünftstärkste Radioquelle, die wir empfangen würden«, sagt Gyula Jozsa, der sich am Radioteleskop Effelsberg um das Frequenzmanagement kümmert. Er soll sicherstellen, dass bei den Beobachtungen buchstäblich nichts dazwischenfunkt.

Eigentlich eignet sich unsere Erde prima für astronomische Beobachtungen im Radiobereich: Die Atmosphäre lässt große Anteile dieser Strahlung ungehindert hindurch, der durchlässige Frequenzbereich reicht von einigen Megahertz bis hinauf zu 100 Gigahertz. Am Radioteleskop Effelsberg gibt es Empfänger von 400 Megahertz bis zu 95 Gigahertz. Allerdings ist jenes atmosphärische Fenster nicht ungenutzt. Handys nutzen beispielsweise mehrere Frequenzbereiche, etwa von 890 bis 915 Megahertz, von 935 bis 960 Megahertz oder von 1710 bis 1780 Megahertz.

Alle wollen Frequenzen

»Sputnik hat als erster künstlicher Satellit im All bei Frequenzen von 20 und 40 Megahertz gesendet«, sagt Alexandre Vallet von der Internationalen Fernmeldeunion (International Telecommunications Union, ITU). In der modernen Satellitenkommunikation werden diese Frequenzen heutzutage nicht mehr genutzt. Besonders beliebt ist stattdessen der Bereich von drei bis 30 Gigahertz. In Deutschland ist für die Zuteilung die Bundesnetzagentur zuständig. Die UNO-Dachorganisation, die sich weltweit um die Verteilung und Registrierung der Frequenzen kümmert, ist die ITU. Ein lukratives Geschäft: Die Frequenzen für 5G im Bereich um 3,6 Gigahertz wurden in Deutschland im Jahr 2019 für rund 6,6 Milliarden Euro versteigert.

»Ein Handy auf dem Mond wäre die fünftstärkste Radioquelle, die wir empfangen würden«(Gyula Jozsa, Radioteleskop Effelsberg)

»Radiofrequenzen sind ein begehrtes Gut«, sagt Gyula Jozsa. Von Seiten der ITU ist lediglich ein winziger Teil jener so kostbaren Frequenzen für die Radioastronomie reserviert: Kein Netz- oder Satellitenbetreiber darf diese Frequenzen nutzen. Wenn nun allerdings die Anzahl der Satelliten in unserer Erdumlaufbahn wächst, wenn es immer mehr Quellen von elektromagnetischer Strahlung auch auf der Erde gibt, die Frequenzbänder immer stärker genutzt werden, wird es selbst für solche geschützten Bänder langsam ungemütlich.

»Das für die Kommunikation genutzte Mikrowellenfrequenzband Ku-Band für Satelliten befindet sich zwischen 11 und 14 Gigahertz. Aber daneben liegt ein Band für die Radioastronomie von 10,6 bis 10,7 Gigahertz. Und dann kann es schon einmal vorkommen, dass die Emissionen der Satelliten für die Beobachtungen eine Herausforderung darstellen«, sagt Alexandre Vallet.

Ein weiteres Problem: Am Himmel gibt es für die Radioastronominnen und -astronomen nicht nur in den geschützten Bändern etwas zu sehen. Das gilt nicht allein für SETI, das das gesamte Frequenzspektrum absucht, weil die Alienjäger nur vermuten können, nach was sie überhaupt suchen sollten.

Astronomie auf der Flucht

»Wir nutzen Wasserstoff, um die Verteilung der Materie im Weltall zu kartieren«, sagt Gyula Jozsa. »Im Ruhezustand sendet er bei 1400 Megahertz Signale aus.« Dabei handelt es sich zwar um ein geschütztes Band, aber: »Wenn wir weit entfernten Wasserstoff beobachten wollen, ist er rotverschoben. Das heißt, seine Frequenz nimmt ab und dann geraten wir in Bänder hinein, die bereits belegt sind.«

Das Problem wird noch größer, seit immer mehr Satelliten in niedrigen Erdumlaufbahnen platziert werden, Stichwort: Megakonstellationen wie Starlink der US-Firma SpaceX. »Als es hauptsächlich Satelliten in geostationären Umlaufbahnen gab, war die Radiointerferenz eine ziemlich statische Angelegenheit, weil sich die Satelliten am Himmel nicht bewegt haben. Da hat eine Excel-Tabelle ausgereicht, um das Problem zu lösen, dass sich niemand überkreuzt«, sagt Alexandre Vallet. Das galt auch für die Radioastronomie: Es waren immer wieder Beobachtungen in ungeschützten Frequenzbändern möglich, wenn gerade kein Satellit über das irdische Radioteleskop flog.

Als die Lichtverschmutzung im optischen Bereich immer schlimmer wurde und wir die Nacht zum hell erleuchteten Tag gemacht haben, sind Astronominnen und Astronomen in die abgelegensten Orte auf der Erde gezogen. Sie bauen ihre Teleskope nun auf erloschenen Vulkanen oder in der Atacama-Wüste von Chile. Jetzt geht es aber gerade bei den Megakonstellationen mit ihrem Satelliteninternet darum, ebenfalls solche abgelegenen Regionen abzudecken.

»Es gibt schon noch einige Regionen, beispielsweise in Wüsten, wo das kommerzielle Interesse gering ist, auch diese Bereiche abzudecken. Aber ich würde sagen, das Problem der Radiointerferenz ist für die Radioastronomie viel komplizierter als die Lichtverschmutzung«, sagt Alexandre Vallet.

Auf zum Mond!

Vielleicht bleibt der Radioastronomie in diesem Fall nur eines: die Flucht nach oben. »Wenn es den Mond nicht gäbe, müssten wir ihn bauen«, sagt Jack Burns von der University of Colorado. »Auf seiner Rückseite gibt es keine Radiointerferenz von der Erde, weil der Mond selbst alle Strahlung absorbiert. Es gibt keinen Regen, kein Wetter, keine wachsenden Pflanzen. Auf dem Mond verändert sich gar nichts. Er ist der perfekte Ort für ein Radioteleskop.«

Tatsächlich wird Jack Burns noch in diesem Jahr ein Radioteleskop gen Mond schicken. ROLSES heißt es, und soll mit einer der ersten kommerziellen Missionen des US-Unternehmens Intuitive Machines zum Mond fliegen. Ziel: das Vallis Schröteri der Mondebene Oceanus Procellarum. ROLSES soll unter anderem eine Art Technologiedemonstration sein und herausfinden, ob derartige Antennen in sehr viel größerer Anzahl auf der Rückseite des Mondes ein wahrhaft beeindruckendes Teleskop ergeben könnten.

Denn das ist der eigentliche Traum von Jack Burns: ein riesiges Radioteleskop auf der Rückseite des Mondes zu bauen. Designstudien für das Radioteleskop FARSIDE sehen dafür 256 Dipolantennen vor, die auf der Rückseite des Mondes errichtet werden würden. »Aber die ultimative Version, die wir bauen wollen, heißt FarView. Sie hätte 100 000 Antennen. Und diese Antennen würden wir aus Aluminium bauen wollen, das wir selbst aus Mondmaterial vor Ort herstellen wollen«, sagt Burns.

»Wenn es den Mond nicht gäbe, müssten wir ihn bauen«(Jack Burns, University of Colorado)

Das mag zunächst ein wenig futuristisch klingen, aber auch nicht wirklich abgefahrener als der Plan, ein riesiges Radioteleskop einfach in einen Mondkrater zu bauen. Mit Robotern, natürlich. Saptarshi Bandyopadhyay vom Jet Propulsion Laboratory JPL der NASA hat sich dazu einige Gedanken gemacht – und den passenden Mondkrater bereits herausgesucht. »Es mag sehr schwierig sein, vertikale Strukturen auf dem Mond zu bauen, aber etwas in einen Krater hineinzubauen, ist sehr viel einfacher«, sagt er. »Und das Teleskop mag riesig sein, aber das Design ist nicht sehr komplex.«

Ein Mondteleskop hat noch mehr Vorteile

Und wo kommen die Roboter ins Spiel? Bandyopadhyay erklärt, dass die Kosten mit Menschen – auch aus Gründen der Sicherheit – sehr viel höher wären. »Und wir haben am JPL diese wunderschönen Roboter. Wir haben zum Beispiel einen Roboter, der in zwei Teile geteilt werden kann. Dann ist der eine Teil am Kraterrand verankert und der andere Teil kann in den Krater hineinfahren. Wir haben uns aber auch überlegt, dass wir einfach Harpunen benutzen könnten. So würde ein Raumschiff im Kraterboden landen und Drähte zum Kraterrand schießen. Wir bräuchten noch nicht mal Roboter.«

Auch dieses »Lunar Crater Radio Telescope« ist derzeit Zukunftsmusik. Es ist eine Konzeptstudie, anhand derer die NASA ausloten möchte, welche Technologien heute gebraucht werden, damit in 20 bis 30 Jahren tatsächlich ein Radioteleskop auf dem Mond stehen könnte.

Dabei ist der Plan mit dem Radioteleskop nicht mal neu. Jack Burns kennt entsprechende Pläne und Konzepte aus den 1960er Jahren, »sogar noch vor den Apollo-Missionen«, sagt er. Denn einerseits war Radioastronominnen und -astronomen bereits damals klar, dass es auf der Rückseite des Mondes keine Radiointerferenzen jeglicher Art gibt. Was dem Mond andererseits ebenfalls fehlt, ist eine Ionosphäre. Die absorbiert auf der Erde noch niederfrequentere Radiostrahlung.

Forschende haben daher keine Ahnung, wie das Universum bei Frequenzen von unter einigen Dutzend Megahertz ausschaut. Dummerweise verbirgt sich dort die Frühzeit des Kosmos – jene ersten paar Millionen Jahre nach dem Urknall, bevor sich die allerersten Sterne bildeten und das Universum aus einem Gemisch aus hauptsächlich Wasserstoff und Helium bestand. Die Wasserstofflinie, die Forschende heutzutage bei 1,4 Gigahertz empfangen können, gab es auch damals schon. Nur ist diese Zeit so lange her, dass jene Strahlung bis hinunter zu 1,4 Megahertz rotverschoben ist. Auf der Erde macht die Ionosphäre es unmöglich, solchen Wasserstoff zu beobachten. Auf dem Mond wäre das kein Problem.

Die Zukunft bringt Kaninchendraht

Für die Forschungsgemeinschaft in den 1970er Jahren mag ein Radioteleskop noch in weiter Ferne gelegen haben – aber sie hatte bereits zu der Zeit erkannt, welches Potenzial die Rückseite des Mondes für die Forschung bietet. »Damals haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Mitgliedsstaaten der ITU überzeugt, dass der beste Ort für die Menschheit, um Beobachtungen im Radiobereich zu machen, die abgeschirmte Rückseite des Mondes sei», sagt Alexandre Vallet. »Sie haben es tatsächlich geschafft, alle Mitgliedsstaaten davon zu überzeugen, dass sich die Menschheit diese Möglichkeit für die Zukunft offenhalten sollte.«

Deshalb sollte – rein theoretisch – die Radioastronomie zumindest auf der Rückseite des Mondes das Vorrecht haben. Aber was, wenn um den Mond auf einmal GNSS-Netzwerke errichtet werden, um eine sich entwickelnde »Mondwirtschaft« zu unterstützen? China möchte ein solches Netzwerk errichten. Auch die NASA arbeitet an ähnlichen Plänen. Und die europäische »Moonlight Initiative« der ESA verfolgt ein derartiges Ziel. »Da fängt natürlich jetzt schon die Diskussion an«, sagt Gyula Jozsa. »Eine Idee war, LTE oder 4G für die Kommunikation auf dem Mond zu nehmen. Das klingt nach einer super Idee, hat man auf der Erde bereits, wäre daher auf dem Mond billig. Aber auf der Erde können wir ja gerade deshalb in diesen Frequenzen nichts sehen. Für uns wäre es daher besonders wichtig, dass die Frequenzen auf dem Mond geschützt werden.«

Für Jack Burns sind die niedrigen Frequenzen, an denen er interessiert ist, glücklicherweise für die Satellitenkommunikation sowieso nicht interessant. Aber die Elektronik an Bord von Satelliten oder auch Infrastruktur auf dem Mond kann sozusagen aus Versehen derartige Strahlung aussenden. Die Lösung von Jack Burns ist pragmatisch und lautet: Kaninchendraht. Der könnte bei den Satelliten als Faraday-Käfig funktionieren und so die hochempfindlichen lunaren Radioteleskope der Zukunft vor Radiointerferenz schützen.

Währenddessen ist es auf der Erde für Kaninchendraht aller Art zu spät. Es wird in Zukunft sicherlich nicht weniger Satelliten in unseren Erdumlaufbahnen geben. Das Radioteleskop Effelsberg zumindest hat über die Bundesnetzagentur mit einigen Satellitenbetreibern die Vereinbarung getroffen, dass sie über dem Radioteleskop nicht senden. Das heißt im Umkehrschluss, dass mit einer Starlink-Empfangsschüssel in der Umgebung des Radioteleskops Effelsberg nichts zu holen ist: kein Empfang. Auch Iridium-Satellitentelefone sollten nicht funktionieren – selbst wenn das jederzeit wieder aktiviert werden kann, wie beispielsweise bei der Flutkatastrophe im Ahrtal im Sommer 2021, von der das Radioteleskop Effelsberg ebenfalls betroffen war.

»Im Moment geht es noch ganz gut, Radioastronomie auf der Erde zu betreiben. Aber es wird immer schwieriger«, sagt Gyula Jozsa. »Wir sind sehr stark damit beschäftigt, die Radioastronomie zu verteidigen. Was die Zukunft bringt, da bin ich mir nicht sicher. Vielleicht beschließen irgendwann sehr viele Leute, dass Kabel doch besser oder billiger sind. Das wäre uns natürlich am allerliebsten.«

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