KÜNSTLICHE SATELLITEN: WOFÜR SIND SIE, WIE FUNKTIONIEREN SIE, TYPEN, WICHTIG - ARTE - 2024

Die Satelliten sind Fahrzeuge oder Geräte, die speziell dafür gebaut wurden, ohne Besatzung in den Weltraum entlassen zu werden, um die Erde oder einen anderen Himmelskörper zu umkreisen.

Die ersten Ideen zum Bau künstlicher Satelliten kamen von Science-Fiction-Autoren, zum Beispiel Jules Verne und Arthur C. Clark. Letzterer war Radaroffizier bei der Royal Air Force und hatte am Ende des Zweiten Weltkriegs die Idee, drei Satelliten im Orbit um die Erde einzusetzen, um ein Telekommunikationsnetz aufrechtzuerhalten.

Abbildung 1. Künstlicher Satellit, der die Erde umkreist. Quelle: Wikimedia Commons.

Zu diesem Zeitpunkt waren die Mittel noch nicht verfügbar, um einen Satelliten in die Umlaufbahn zu bringen. Es dauerte noch einige Jahre, bis das US-Militär Anfang der 1950er Jahre die erste Satellitenkommunikation produzierte.

Das Weltraumrennen zwischen den Vereinigten Staaten und der Sowjetunion hat die künstliche Satellitenindustrie angekurbelt. Der erste erfolgreich in die Umlaufbahn gebrachte Satellit war 1957 der sowjetische Satellit Sputnik, der Signale im Bereich von 20 bis 40 MHz aussendete.

Es folgte der Start des Echo I durch die Vereinigten Staaten zu Kommunikationszwecken. Seitdem gelang es beiden Mächten, zahlreiche Starts in den Orbit durchzuführen, und anschließend schlossen sich viele Länder der neuen Technologie an.

Wofür sind künstliche Satelliten?

-In der Telekommunikation zur erneuten Übertragung von Radio-, Fernseh- und Mobiltelefonnachrichten.

-In wissenschaftlicher und meteorologischer Forschung, einschließlich Kartographie und astronomischer Beobachtungen.

-Für militärische Geheimdienstzwecke.

-Für Navigation und Standortverwendung ist das GPS (Global Positioning System) eines der bekanntesten.

-Um die Landoberfläche zu überwachen.

-In Raumstationen, um das Leben außerhalb der Erde zu erleben.

Wie arbeiten Sie?

In seiner Principia stellte Isaac Newton (1643-1727) fest, was notwendig war, um einen Satelliten in die Umlaufbahn zu bringen, obwohl er anstelle eines Satelliten als Beispiel eine Kanonenkugel verwendete, die von der Spitze eines Hügels abgefeuert wurde.

Mit einer bestimmten Horizontalgeschwindigkeit abgefeuert, folgt die Kugel der üblichen parabolischen Flugbahn. Mit zunehmender Geschwindigkeit wird die horizontale Reichweite immer größer, was klar war. Aber wird eine bestimmte Geschwindigkeit dazu führen, dass die Kugel in die Umlaufbahn um die Erde gelangt?

Die Erde krümmt sich alle 8 km von einer Tangente an die Oberfläche mit einer Geschwindigkeit von 4,9 m. Jedes aus der Ruhe befreite Objekt fällt in der ersten Sekunde um 4,9 m. Wenn die Kugel horizontal von einem Gipfel mit einer Geschwindigkeit von 8 km / s abgefeuert wird, fällt sie in der ersten Sekunde um 4,9 m.

Aber die Erde wird in dieser Zeit auch 4,9 m gesunken sein, da sie sich unter der Kanonenkugel krümmt. Diese bewegt sich weiterhin horizontal über die 8 km und würde in dieser Sekunde in Bezug auf die Erde auf derselben Höhe bleiben.

Natürlich passiert dasselbe nach der nächsten Sekunde und in allen aufeinanderfolgenden Sekunden und verwandelt die Kugel ohne zusätzlichen Antrieb in einen künstlichen Satelliten, solange es keine Reibung gibt.

Reibung durch Luftwiderstand ist jedoch unvermeidbar, weshalb eine Booster-Rakete erforderlich ist.

Die Rakete hebt den Satelliten auf eine große Höhe, wo die dünnere Atmosphäre weniger Widerstand bietet und ihm die erforderliche horizontale Geschwindigkeit verleiht.

Diese Geschwindigkeit muss größer als 8 km / s und kleiner als 11 km / s sein. Letzteres ist die Fluchtgeschwindigkeit. Mit dieser Geschwindigkeit projiziert, würde der Satellit den Gravitationseinfluss der Erde aufgeben und in den Weltraum gelangen.

Künstliche Satellitenstruktur

Künstliche Satelliten enthalten verschiedene komplexe Mechanismen zur Ausführung ihrer Funktionen, die das Empfangen, Verarbeiten und Senden verschiedener Arten von Signalen umfassen. Sie müssen außerdem leicht und autonom sein.

Die Hauptstrukturen sind allen künstlichen Satelliten gemeinsam, die wiederum je nach Zweck mehrere Subsysteme haben. Sie sind in einem Gehäuse aus Metall oder anderen leichten Verbindungen montiert, das als Träger dient und als Bus bezeichnet wird.

Im Bus finden Sie:

- Das zentrale Steuermodul, das den Computer enthält, mit dem die Daten verarbeitet werden.

- Empfangen und Senden von Antennen für die Kommunikation und Datenübertragung durch Funkwellen sowie Teleskope, Kameras und Radargeräte.

- Ein System von Sonnenkollektoren an den Tragflächen, um die notwendige Energie und wiederaufladbare Batterien zu erhalten, wenn sich der Satellit im Schatten befindet. Je nach Umlaufbahn benötigen Satelliten etwa 60 Minuten Sonnenlicht, um ihre Batterien aufzuladen, wenn sie sich in einer niedrigen Umlaufbahn befinden. Weiter entfernte Satelliten verbringen viel mehr Zeit mit Sonneneinstrahlung.

Da Satelliten lange Zeit dieser Strahlung ausgesetzt sind, ist ein Schutzsystem erforderlich, um Schäden an anderen Systemen zu vermeiden.

Die freiliegenden Teile werden sehr heiß, während sie im Schatten extrem niedrige Temperaturen erreichen, da nicht genügend Atmosphäre vorhanden ist, um die Änderungen zu regulieren. Aus diesem Grund sind Heizkörper erforderlich, um Wärme zu entfernen, und Aluminiumabdeckungen, um bei Bedarf Wärme zu sparen.

Arten von künstlichen Satelliten

Künstliche Satelliten können je nach Flugbahn elliptisch oder kreisförmig sein. Natürlich hat jeder Satellit eine zugewiesene Umlaufbahn, die im Allgemeinen in derselben Drehrichtung der Erde liegt, die als asynchrone Umlaufbahn bezeichnet wird. Wenn sich der Satellit aus irgendeinem Grund in die entgegengesetzte Richtung bewegt, hat er eine retrograde Umlaufbahn.

Unter der Schwerkraft bewegen sich Objekte nach Keplers Gesetzen auf elliptischen Pfaden. Künstliche Satelliten entgehen dem nicht, einige elliptische Bahnen weisen jedoch eine so geringe Exzentrizität auf, dass sie als kreisförmig angesehen werden können.

Die Umlaufbahnen können auch in Bezug auf den Erdäquator geneigt sein. Bei einer Neigung von 0º sind sie äquatoriale Bahnen, wenn sie 90º sind, sind sie polare Bahnen.

Die Höhe des Satelliten ist ebenfalls ein wichtiger Parameter, da zwischen 1500 und 3000 km der erste Van-Allen-Gürtel liegt, eine Region, die aufgrund ihrer hohen Strahlungsrate vermieden werden sollte.

Abbildung 2. Umlaufbahnen, Höhen und Geschwindigkeiten künstlicher Satelliten. Nicht mehr genutzte Satelliten gelangen in die Umlaufbahn des Friedhofs, obwohl sich in allen Umlaufbahnen Überreste befinden. Quelle: Wikimedia Commons.

Satellitenbahnen

Die Umlaufbahn des Satelliten wird entsprechend seiner Mission gewählt, da es für verschiedene Operationen mehr oder weniger günstige Höhen gibt. Nach diesem Kriterium werden Satelliten klassifiziert als:

- LEO (Low Earth Orbit) , sie sind zwischen 500 und 900 km hoch und beschreiben eine Kreisbahn mit Zeiträumen von ungefähr anderthalb Stunden und einer Neigung von 90 °. Sie werden für Handys, Faxe, persönliche Pager, für Fahrzeuge und für Boote verwendet.

- MEO (Medium Earth Orbit) befinden sich in einer Höhe zwischen 5000 und 12000 km, einer Neigung von 50 ° und einem Zeitraum von ungefähr 6 Stunden. Sie werden auch in Mobiltelefonen eingesetzt.

- GEO (Geosynchronous Earth Orbit) oder geostationäre Umlaufbahn, obwohl zwischen den beiden Begriffen ein kleiner Unterschied besteht. Ersteres kann eine variable Neigung haben, während letzteres immer bei 0 ° liegt.

In jedem Fall befinden sie sich in großer Höhe - mehr oder weniger - 36.000 km. Sie bewegen sich in Zeiträumen von 1 Tag auf Kreisbahnen. Dank ihnen stehen unter anderem Fax, Ferngespräche und Satellitenfernsehen zur Verfügung.

Abbildung 3. Diagramm der Umlaufbahnen künstlicher Satelliten. 1) Erde. 2) LEO. 3) MEO, 4) Geosynchrone Umlaufbahnen. Quelle: Wikimedia Commons.

Geostationäre Satelliten

Zu Beginn hatten die Kommunikationssatelliten andere Perioden als die Erdrotation, aber dies machte es schwierig, die Antennen zu positionieren, und die Kommunikation ging verloren. Die Lösung bestand darin, den Satelliten so hoch zu platzieren, dass seine Periode mit der der Erdrotation zusammenfiel.

Auf diese Weise umkreist der Satellit zusammen mit der Erde und scheint in Bezug darauf fixiert zu sein. Die Höhe, die erforderlich ist, um einen Satelliten in eine geosynchrone Umlaufbahn zu bringen, beträgt 35786,04 km und wird als Clarke-Gürtel bezeichnet.

Die Höhe der Umlaufbahn kann berechnet werden, indem die Periode unter Verwendung des folgenden Ausdrucks ermittelt wird, der aus dem Newtonschen Gesetz der universellen Gravitation und den Kepler-Gesetzen abgeleitet ist:

Dabei ist P die Periode, a die Länge der Semi-Major-Achse der elliptischen Umlaufbahn, G die universelle Gravitationskonstante und M die Masse der Erde.

Da sich auf diese Weise die Ausrichtung des Satelliten zur Erde nicht ändert, wird garantiert, dass er immer Kontakt mit ihm hat.

Wichtigste künstliche Satelliten der Erde

Sputnik

Abbildung 4. Nachbildung von Sputnik, dem ersten künstlichen Satelliten im Orbit in der Geschichte. Quelle: Wikimedia Commons.

Es war der erste künstliche Satellit in der Geschichte der Menschheit, der im Oktober 1957 von der ehemaligen Sowjetunion in die Umlaufbahn gebracht wurde. Auf diesen Satelliten folgten im Rahmen des Sputnik-Programms drei weitere.

Der erste Sputnik war recht klein und leicht: 83 kg Aluminium hauptsächlich. Es war in der Lage, Frequenzen zwischen 20 und 40 MHz zu emittieren. Es befand sich drei Wochen lang im Orbit, danach fiel es auf die Erde.

Repliken von Sputnik sind heute in vielen Museen in der Russischen Föderation, in Europa und sogar in Amerika zu sehen.

Der Spaceshuttle

Eine weitere bekannte bemannte Mission war das Space Transport System STS oder Space Shuttle, das von 1981 bis 2011 in Betrieb war und neben Missionen von neben anderen wichtigen Missionen auch am Start des Hubble-Weltraumteleskops und der Internationalen Raumstation beteiligt war Reparatur anderer Satelliten.

Das Space Shuttle hatte eine asynchrone Umlaufbahn und war wiederverwendbar, da es zur Erde kommen und gehen konnte. Von den fünf Fähren wurden zwei zusammen mit ihren Besatzungen versehentlich zerstört: die Challenger und die Columbia.

GPS-Satelliten

Das Global Positioning System ist weithin bekannt dafür, Menschen und Objekte überall auf der Welt mit hoher Präzision zu lokalisieren. Das GPS-Netzwerk besteht aus mindestens 24 Satelliten in großer Höhe, von denen immer 4 Satelliten von der Erde aus sichtbar sind.

Sie befinden sich in einer Umlaufbahn von 20.000 km und haben eine Dauer von 12 Stunden. GPS verwendet eine mathematische Methode ähnlich der Triangulation, um die Position von Objekten zu bestimmen, die als Trilateration bezeichnet wird.

GPS ist nicht nur auf das Auffinden von Personen oder Fahrzeugen beschränkt, sondern eignet sich unter anderem auch für Kartografie, Vermessung, Geodäsie, Rettungseinsätze und Sportpraktiken.

Das Hubble-Weltraumteleskop

Es ist ein künstlicher Satellit, der unvergleichliche, noch nie dagewesene Bilder des Sonnensystems, der Sterne, Galaxien und des fernen Universums bietet, ohne dass die Erdatmosphäre oder die Lichtverschmutzung fernes Licht blockieren oder verzerren.

Abbildung 5. Ansicht des Hubble-Weltraumteleskops. Quelle: NASA über Wikimedia Commons.

Daher war sein Start im Jahr 1990 der bemerkenswerteste Fortschritt in der Astronomie in jüngster Zeit. Hubbles riesiger 11-Tonnen-Zylinder befindet sich auf einer Höhe von 548 km (340 Meilen) und umkreist die Erde in kreisenden Bewegungen mit einem Zeitraum von 96 Minuten.

Es wird voraussichtlich zwischen 2020 und 2025 deaktiviert und durch das Weltraumteleskop James Webb ersetzt.

Internationale Raumstation

Bekannt als ISS (Internationale Raumstation), ist es ein umlaufendes Forschungslabor, das von fünf Weltraumagenturen auf der ganzen Welt verwaltet wird. Bisher ist es der größte existierende künstliche Satellit.

Im Gegensatz zu den anderen Satelliten sind in der Raumstation Menschen an Bord. Neben der festen Besatzung von mindestens zwei Astronauten wurde die Station sogar von Touristen besucht.

Der Zweck der Station ist in erster Linie wissenschaftlich. Es verfügt über 4 Labors, in denen die Auswirkungen der Schwerelosigkeit untersucht und astronomische, kosmologische und Klimabeobachtungen sowie verschiedene Experimente in Biologie, Chemie und dem Einfluss von Strahlung auf verschiedene Systeme durchgeführt werden.

Chandra

Dieser künstliche Satellit ist ein Observatorium zur Detektion von Röntgenstrahlen, die von der Erdatmosphäre absorbiert werden und daher nicht von der Oberfläche aus untersucht werden können. Die NASA brachte es 1999 über das Space Shuttle Columbia in die Umlaufbahn.

Iridium-Kommunikationssatelliten

Sie bilden ein Netzwerk von 66 Satelliten in einer Höhe von 780 km in LEO-Umlaufbahnen mit einem Zeitraum von 100 Minuten. Sie wurden von der Motorola-Telefongesellschaft entwickelt, um Telefonkommunikation an unzugänglichen Orten bereitzustellen. Es ist jedoch ein sehr kostenintensiver Service.

Galileo-Satellitensystem

Es ist das von der Europäischen Union entwickelte Ortungssystem, das GPS entspricht und für den zivilen Gebrauch bestimmt ist. Derzeit sind 22 Satelliten in Betrieb, aber es befindet sich noch im Bau. Es kann eine Person oder ein Objekt mit einer Genauigkeit von 1 Meter in der offenen Version lokalisieren und ist mit den Satelliten des GPS-Systems interoperabel.

Landsat-Serie

Es sind Satelliten, die speziell für die Beobachtung der Erdoberfläche entwickelt wurden. Sie begannen ihre Arbeit im Jahr 1972. Sie sind unter anderem für die Kartierung des Geländes, die Aufzeichnung von Informationen über die Bewegung des Eises an den Polen und die Ausdehnung der Wälder sowie für die Erkundung des Bergbaus zuständig.

Glonass-System

Es ist das Geolokalisierungssystem der Russischen Föderation, das GPS und dem Galileo-Netzwerk entspricht.

Beobachtung künstlicher Satelliten

Künstliche Satelliten können von Amateuren von der Erde aus gesehen werden, da sie das Sonnenlicht reflektieren und als Lichtpunkte angesehen werden können, selbst wenn die Sonne untergegangen ist.

Um sie zu finden, ist es ratsam, eine der Satellitensuchanwendungen auf dem Telefon zu installieren oder Internetseiten zu konsultieren, die Satelliten verfolgen.

Zum Beispiel kann das Hubble-Weltraumteleskop mit bloßem Auge oder noch besser mit einem guten Fernglas sichtbar sein, wenn Sie wissen, wo Sie suchen müssen.

Die Vorbereitungen für die Beobachtung von Satelliten sind die gleichen wie für die Beobachtung von Meteorschauern. Die besten Ergebnisse werden in sehr dunklen und klaren Nächten ohne Wolken und ohne Mond oder mit dem Mond am Horizont erzielt. Je weiter Sie von der Lichtverschmutzung entfernt sind, desto besser müssen Sie auch warme Kleidung und heiße Getränke mitbringen.

Verweise

1. Europäische Weltraumorganisation. Satelliten. Wiederhergestellt von: esa.int.
2. Giancoli, D. 2006. Physik: Prinzipien mit Anwendungen. 6 .. Ed Prentice Hall.
3. Maran, S. Astronomie für Dummies.
4. TOPF. Über das Hubble-Weltraumteleskop. Wiederhergestellt von: nasa.gov.
5. Was sind künstliche Satelliten und wie funktionieren sie? Wiederhergestellt von: youbioit.com
6. Wikiversity. Künstliche Satelliten. Wiederhergestellt von: es.wikiversity.org.