George Carruthers brachte ein Ultraviolett-Observatorium auf den Mond und zeigte die Erde in neuem Licht

Bei Apollo 16 brachten Astronauten eine rund 50 Pfund schwere, goldbeschichtete Ultraviolettkamera zum Mond und stellten sie im Schatten der Mondlandefähre auf.

Der Standort war keine Inszenierung. Die Erdatmosphäre absorbiert einen großen Teil der fernen Ultraviolettstrahlung. Ein Instrument auf der Mondoberfläche konnte daher Wellenlängen beobachten, die bodengebundene Observatorien kaum erreichen. Entwickelt und gebaut wurde die Kamera von George Carruthers am U.S. Naval Research Laboratory. Im April 1972 wurde sie zum ersten astronomischen Observatorium, das von einem anderen Himmelskörper aus betrieben wurde.

In der Apollo-Geschichte erscheint diese Leistung oft nur als Randnotiz. Interessanter ist, wie Carruthers ein Messproblem in ein Ingenieurproblem verwandelte: Wenn die Atmosphäre das benötigte Signal blockiert, muss das Instrument über die Atmosphäre hinaus. Gleichzeitig muss es kompakt, robust und einfach genug sein, damit Astronauten es bedienen können.

Die Atmosphäre war selbst Teil des Problems

Die Ultraviolettastronomie hatte ein grundlegendes Hindernis. Dieselbe Atmosphäre, die das Leben auf der Erde schützt, lässt einen großen Teil der fernen UV-Strahlung nicht bis zum Boden durch. Forschende konnten Instrumente mit Höhenforschungsraketen starten, doch deren Beobachtungszeit war kurz. Carruthers kam 1964 zum Naval Research Laboratory und konzentrierte sich auf Instrumente, die diesen unsichtbaren Bereich des Spektrums erfassen konnten.

Sein Ansatz nutzte eine elektrographische Kamera: Ultraviolette Photonen wurden in Elektronen umgewandelt, das Signal verstärkt und anschließend auf Film aufgezeichnet. 1969 erhielt Carruthers ein US-Patent für einen Bildwandler zur Erfassung kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung. Noch vor Apollo 16 bewährte sich die Technik wissenschaftlich. Ein von ihm entwickeltes Instrument wurde 1970 auf einem Raketenflug eingesetzt und wies molekularen Wasserstoff im interstellaren Raum nach.

Der entscheidende Punkt ist, dass Carruthers nicht einfach auf ein besseres Teleskop am Boden wartete. Er entwarf das Instrument um genau jene Umweltbedingung herum, die die Messung überhaupt erschwerte.

Der Mond wurde zu einer störungsarmen Beobachtungsplattform

Apollo 16 gab dieser Idee eine ungewöhnlich stabile Plattform. Die Far Ultraviolet Camera/Spectrograph besaß eine Öffnung von 3 Zoll und konnte sowohl direkt abbilden als auch Spektren aufnehmen. Astronaut John Young stellte sie nahe der Landefähre im Descartes-Hochland auf und hielt sie im Schatten, damit Sonnenlicht das Instrument nicht überhitzte oder die Beobachtungen beeinträchtigte.

Die Astronauten brachten nicht das gesamte Observatorium zurück. Die Kamera blieb auf dem Mond, während die belichtete Filmkassette zur Erde zurückkehrte und dort entwickelt wurde. Das war wichtig, weil elektronische Detektoren und digitale Speicherung noch nicht den späteren Stand erreicht hatten. Carruthers musste weltraumtaugliche Mechanik, Optik, Elektronenverstärkung und einen physischen Filmprozess in einem System verbinden, das Start, Aufbau und Betrieb unter Mondbedingungen überstand.

Es war ein kompaktes Observatorium für einen Einsatzort, den ein Astronom nur mit einem Raumfahrzeug erreichen konnte.

Es zeigte Erde und Weltraum in für unsere Augen unsichtbaren Wellenlängen

Während der Mission lieferte das Instrument ungefähr 200 Fotografien und Spektren. Es erfasste die ausgedehnte Wasserstoffhülle der Erde, polare Aurora-Emissionen und ein helles tropisches Airglow-Band. Außerdem beobachtete es Sterne, Nebel, Galaxien und interstellares Gas im fernen Ultraviolett.

Diese Ergebnisse waren nicht bloß hübschere Varianten bekannter Bilder. Unterschiedliche Wellenlängen machen unterschiedliche physikalische Prozesse sichtbar. Fernes UV kann heiße Sterne, energiereiche Emissionen und sehr dünne Gase zeigen, die im sichtbaren Licht schwach oder gar unsichtbar sind. Vom Mond aus hatte Carruthers’ Kamera zudem einen entfernten Blick auf die gesamte Erde und ihre äußerste Atmosphäre, statt nur die Nahperspektive vieler Instrumente im niedrigen Erdorbit.

Der wissenschaftliche Gewinn entstand also sowohl durch einen neuen Wellenlängenbereich als auch durch einen neuen Beobachtungsstandort.

Carruthers baute ein Werkzeug, das spätere Missionen weiterführen konnten

Carruthers entwickelte später weitere Ultraviolettinstrumente für Missionen wie Skylab und mehrere Space-Shuttle-Flüge. Seine Laufbahn am Naval Research Laboratory erstreckte sich über Jahrzehnte. Daneben engagierte er sich in der Betreuung von Schülerinnen, Schülern und Studierenden und eröffnete ihnen praktische Zugänge zur Wissenschaft.

Die Apollo-16-Kamera bleibt dennoch ein besonders klares Beispiel für seine Ingenieurarbeit. Das Instrument war nicht erfolgreich, weil es das größte Teleskop oder die komplizierteste Maschine war. Es funktionierte, weil es exakt auf ein bestimmtes Messproblem, die Grenzen der Mission und die tatsächliche Bedienung durch Astronauten zugeschnitten war.

Darum ist die Geschichte auch jenseits der Raumfahrtgeschichte relevant. Gute Messtechnik beginnt oft damit, zu erkennen, was ein Signal verdeckt, und anschließend die Bedingungen zu verändern, unter denen dieses Signal erfasst wird.

Die bleibende Lehre liegt in der Wahl des richtigen Standpunkts

Viele technische Probleme wirken so, als bräuchten sie einen besseren Sensor, einen schnelleren Algorithmus oder eine leistungsfähigere Maschine. Manchmal liegt die eigentliche Begrenzung jedoch einfach in der Umgebung der Messung.

Carruthers’ Arbeit legt eine diszipliniertere Frage nahe: Welcher Teil des Systems macht die Information unzugänglich? Für die ferne Ultraviolettastronomie war die Erdatmosphäre zugleich Schutzschild und Barriere. Die Lösung bestand nicht darin, sie vom Boden aus zu überwinden, sondern von einem anderen Ort aus zu beobachten.

Damit wurde der Mond vom Ziel zur Beobachtungsplattform. Für einige Tage im Jahr 1972 betrieben Astronauten dort eine kleine goldene Kamera und brachten einen Blick auf Erde und Weltraum zurück, der von der Erde selbst nur schwer zu gewinnen war.

Quellen

• NASA — Apollo 16 auf dem Mond bei Descartes
• NASA — George Carruthers und die Apollo-16-Far-Ultraviolet-Camera/Spectrograph
• National Air and Space Museum — Apollo 16
• U.S. Naval Research Laboratory — George Carruthers und seine UV-Instrumentierung
• National Inventors Hall of Fame — George R. Carruthers
• Titelbild — George Carruthers mit der Mond-UV-Kamera via Wikimedia Commons; gemeinfreies Werk der US-Regierung.