Die kosmischen Dunklen Zeitalter mit LuSEE-Night studieren

LuSEE-Night ist ein Projekt, das darauf abzielt, eine faszinierende Zeit im Universum zu erforschen, die als die kosmischen Dunklen Jahrhunderte bekannt ist. Diese Periode fand nach der Klärung des Universums durch Licht statt, aber bevor die ersten Sterne und Galaxien entstanden. Indem ein spezielles Instrument auf der anderen Seite des Mondes platziert wird, hoffen Wissenschaftler, Signale zu erfassen, die uns mehr über diese geheimnisvolle Zeit verraten können.

#Was ist LuSEE-Night?

Das Lunar Surface Electromagnetics Experiment at Night (LuSEE-Night) nutzt ein Radiowellen-Gerät, um Signale von neutralem Wasserstoff zu messen. Diese Signale, bekannt als der 21 cm Übergang, können uns helfen, die Struktur und Entwicklung des frühen Universums zu verstehen. Das Instrument hat vier Antennen, die dafür ausgelegt sind, Radiowellen aus verschiedenen Winkeln und Orientierungen einzufangen, sodass es das Rauschen von stärkeren Signalen, die von anderen Quellen wie der Erde und der Sonne erzeugt werden, herausfiltern kann.

#Umwelt-Herausforderungen

LuSEE-Night wird während der Mondnacht beobachten, die besonders kalt sein kann, mit Temperaturen um die 100 K. Wenn die Sonne scheint, können die Temperaturen bis zu 390 K erreichen. Das bedeutet, dass das Gerät gut isoliert sein muss, um es nachts warm zu halten und gleichzeitig mit der extremen Hitze während des Tages klarzukommen.

Ausserdem braucht es Energie, um während der langen Mondnächte, die etwa zwei Wochen dauern können, zu laufen. Der insgesamt verfügbare Energiespeicher ist begrenzt, daher ist eine sorgfältige Planung nötig, um sicherzustellen, dass die Instrumente während dieser Zeit betriebsbereit bleiben.

#Energiequellen

Die Hauptstromversorgung für LuSEE-Night kommt von einer Batterie, die tagsüber mit Solarpanels aufgeladen werden muss. Die Batterie ist relativ klein und kann nur etwa 7 kWh Energie speichern und muss die Instrumente während der Mondnacht mit Strom versorgen, während sie warm genug bleibt, um zu funktionieren.

Die Solarpanels sind so konzipiert, dass sie tagsüber Energie erzeugen, wobei die gespeicherte Energie die Batterie für die nächste lange Nacht auflädt. Ein wichtiger Aspekt ist, dass die Solarpanels effektiv genug sein müssen, um Sonnenlicht zu erfassen, auch wenn die Sonne niedrig am Himmel steht, z.B. bei Dämmerung und Morgengrauen.

#Solar-Array-Design

Um sicherzustellen, dass LuSEE-Night genug Energie sammeln kann, haben Wissenschaftler detaillierte Simulationen durchgeführt, um das beste Layout für die Solarpanels auf dem Mondlander zu finden. Sie haben untersucht, wie viel Sonnenlicht die Panels erhalten würden, wobei sie Faktoren wie Schatten von den Antennen und die sich ändernde Position der Sonne berücksichtigt haben.

Die Solarpanels werden auf der Oberseite sowie auf den Ost- und Westseiten des Landers angeordnet. Das Design zielt darauf ab, maximales Sonnenlicht einzufangen und gleichzeitig sicherzustellen, dass die Antennen ohne Störungen von den Solarpanels richtig arbeiten können.

#Die Wichtigkeit der Positionierung

Die Positionierung des Mondlanders ist entscheidend. Wenn der Lander nicht perfekt ausgerichtet ist, könnte das die Menge an Energie beeinflussen, die die Solarpanels erzeugen können. Kleine Fehlstellungen werden erwartet, aber das Design kann diese Abweichungen berücksichtigen, ohne dass die Energieerzeugung signifikant leidet.

Durch die Simulation verschiedener Winkel und Ausrichtungen haben Forscher herausgefunden, dass LuSEE-Night weiterhin seinen Energiebedarf decken kann, selbst wenn es nach der Landung leicht fehl ausgerichtet ist.

#Energieverwaltung während des Betriebs

Die Verwaltung der von LuSEE-Night erzeugten und verbrauchten Energie ist wichtig, um sicherzustellen, dass es effizient arbeiten kann. Das System wird ein einfaches Modell verwenden, um zu überwachen, wie viel Energie während des Mondtags und der Nacht verbraucht wird.

Während der Nacht wird die Batterie langsam entladen, während sie grundlegende Funktionen versorgt. Das Ziel ist es, den Energieverbrauch zu minimieren und sicherzustellen, dass weiterhin Daten gesammelt werden können, ohne die Batterie zu schnell zu entleeren. Es wird Zeiten geben, in denen bestimmte Instrumente abgeschaltet oder in einen Energiesparmodus versetzt werden müssen, um die Lebensdauer der Batterie zu erhalten.

#Tägliche Operationen

Während des Mondtags werden die Solarpanels Energie erzeugen, um die Batterie aufzuladen. Das Spektrometer, das Daten über kosmische Signale sammelt, wird arbeiten, wenn genug Energie verfügbar ist. Die Kommunikation mit dem Satelliten-Relais wird ebenfalls stattfinden, sodass die während der Nacht gesammelten Daten zurück zur Erde übermittelt werden können.

Das Solarpanel-Array ist so konzipiert, dass es mehr Energie liefert, als für den Betrieb der Instrumente benötigt wird, damit die Batterie für die nächste Mondnacht weiterhin geladen bleibt. Die Forscher haben eine Sicherheitsmarge eingeplant, um unvorhergesehene Änderungen in der Energieerzeugung oder der Effizienz der Batterie im Laufe der Zeit zu berücksichtigen.

#Betriebsablauf

Das LuSEE-Night-Instrument wird von einem Bordcomputer gesteuert, der alles von den Energiesystemen bis zur Datensammlung verwaltet. Es wird während der Nacht autonom arbeiten, was bedeutet, dass es einem bestimmten Plan folgt, um sicherzustellen, dass alles reibungslos läuft.

Der Betriebsplan unterteilt die Aktivitäten in vier Modi, die sich mit unterschiedlichen Bedingungen beschäftigen. Diese Modi passen den Energiebedarf an, je nachdem, ob das System tagsüber oder nachts arbeitet, und sorgen dafür, dass alle Komponenten effektiv arbeiten, ohne die Batterie zu schnell zu entleeren.

1. Wartungsmodus: Dies ist der Standardmodus während des Tages, wenn das Kommunikationssystem im Standby ist und darauf wartet, Signale vom Relais-Satelliten zu empfangen. Das Spektrometer erfasst tagsüber Daten zur Kalibrierung.

2. Übertragungsmodus: Dieser Modus wird verwendet, wenn das System aktiv Daten zurück zur Erde sendet. Er benötigt mehr Energie, da der Sender eingeschaltet wird.

3. Wissenschaftsmodus: In diesem Nachtmodus werden die Antennen und andere Instrumente aktiviert, um Daten zu sammeln, aber das Kommunikationssystem wird abgeschaltet, um Störungen zu vermeiden.

4. Energiesparmodus: Hier spart das System während der Nacht Energie, indem es das Spektrometer abschaltet, wenn es nicht benötigt wird, obwohl eine minimale Heizung aufrechterhalten wird, um die Batterie funktionsfähig zu halten.

#Herausforderungen antizipieren

Der Erfolg von LuSEE-Night hängt stark von sorgfältiger Planung und Ausführung ab. Das Team wird zu Beginn der ersten Mondnacht einen vorsichtigen Ansatz verfolgen und die Beobachtungszeit reduzieren, um sicherzustellen, dass die Ausrüstung die Dauer übersteht.

Sie werden Prüfungen durchführen, um Daten über den Zustand und die Funktionsweise des Instruments in den frühen Stunden der Nacht zu sammeln. So können sie sicherstellen, dass alles wie geplant funktioniert, bevor sie sich auf das Standardverfahren für die Beobachtungen verlassen.

#Fazit

Das LuSEE-Night-Projekt stellt eine aufregende Gelegenheit dar, Daten über eine weitgehend unerforschte Epoche im Universum zu sammeln. Indem die Instrumente während der langen Mondnacht mit Energie versorgt und tagsüber wieder aufgeladen werden, hoffen Wissenschaftler, ein neues Fenster in unser Verständnis des frühen Kosmos zu öffnen.

Das Design der Energiesysteme und deren Management ist entscheidend für den Erfolg dieser Mission. Detaillierte Simulationen, sorgfältige Planung und robuste Ausrüstung werden dazu beitragen, dass LuSEE-Night seine Ziele erreicht und wertvolle Einblicke in unser Verständnis des Universums liefert. Durch diese Mission wollen die Forscher grundlegende Fragen zur Entstehung von Sternen und Galaxien sowie zur Evolution kosmischer Strukturen beantworten.