Laserstrahl zum Mond und zurück?

5 Antworten

Auch ein Laserstrahl ist nicht so perfekt gebündelt, wie man denken möchte. Auf lange Distanz wird er breiter, wenn auch nicht so sehr wie bei normalen Scheinwerfern. Wenn der Strahl auf dem Mond ankommt, ist er kein kleiner greller Fleck, sondern einige Kilometer breit, und das, was von ihm auf den Reflektor trifft und zur Erde zurückkehrt, ist noch einmal aufgeweitet:

"At the Moon's surface, the beam is about 6.5 kilometers (4.0 mi) wide"

https://en.wikipedia.org/wiki/Lunar_Laser_Ranging_experiment

"Der zentrale reflektierte Strahl auf der Erde hat einen Durchmesser von 10 nautischen Meilen (rund 200 km²)"

https://de.wikipedia.org/wiki/Lunar_Laser_Ranging

Die Geschwindigkeit, mit der der Mond wandert, fällt demgegenüber nicht so sehr in s Gewicht. Die Winkelgeschwindigkeit ist ein Vollkreis im Monat, das sind nicht ganz drei Millionstel rad in der Sekunde. In der Zeit auf dem Weg zwischen Mond und Erde ergibt das einen Winkel von dreieinhalb Millionstel rad. Der Sinus dieses Winkels mal dem Abstand zwischen Erde und Mond ergibt die Strecke, um die der Strahl "danebengeht": etwas mehr als 1 km. Das ist weniger, als der Strahl dick ist.

Aber an der Wanderung des Mondes scheitert die Sache nicht.

Ein größeres Problem scheint mir zu sein, daß von dem ausgesandten Laserimpuls ganz wenige Photonen in der Messvorrichtung wieder ankommen. Laut Wikipedia:

"Eine Messung besteht aus mehreren Einzelpulsen mit insgesamt 10^19 Photonen, von denen nach 2,5 Sekunden im Mittel nicht einmal ein einziges Photon den Weg zum Empfänger zurückfindet"

Die wenigen Photonen, die ankommen, inmitten all des Störlichtes überhaupt zu erkennen und auszuwerten, ist schon eine respektable Leistung.

Ja - und? Wer den Mond mit einem Laserstrahl anvisiert, muss schon ziemlich genau zielen, um den gewünschten Punkt (Spiegel) überhaupt zu treffen - ist ja ein bewegliches Ziel und weit entfernt.

So, und dort der Spiegel muss(!) ja gar nicht ideal senkrecht getroffen werden, sondern kann exakt leicht so geneigt sein, dass der reflektierte Strahl anschließend wieder auf dem Empfänger auf der Erde auftritt - da ist also ebenfalls sehr viel Präzision bei der Ausrichtung nötig.  

Das verstehe ich trotzdem nicht. Der Strahl der vom Mond zurückkommt, dürfte durch die Bewegung der beiden Himmelskörper doch gar nicht den Absender treffen, sondern müßte meilenweit daran vorbeirauschen um überhaupt registriert zu werden

Wo liegt mein Denkfehler?

0
@FoxundFixy

Im Spiegel auf dem Mond. WENN das Ding "einfach so" da steht, dann trifft der reflektierte Strahl schlichtweg auch "irgendwo" hin - und höchstwahrscheinlich eben nicht zufällig den Empfänger auf der Erde. Also muss der Spiegel exakt ausgerichtet sein.- es reicht nicht aus, nur einfach einen Spiegel aufzustellen und es ist nur annähernd (aber eben nicht exakt) richtig, diesen so aufzustellen, dass der reflektierte Strahl exakt auf dem Weg des einfallenden Strahls läuft: zum Ausgleich der unterschiedlichen Bewegungen und der Laufzeit ist genau da eine gewisse (ziemlich kleine) Winkeldifferenz einzuhalten.

0
@Peter42

Und da gibt es wieder ein Problem. Es gibt ja wohl schon Spiegel da oben und ich denke nicht, daß diese EXAKT ausgerichtet wurden konnten

0

Hallo FoxundFixy,

Jetzt kommt die Drehung der Erde und das Wandern des Mondes mit ins Spiel.

Richtig. Gut nachgedacht!

Tatsächlich muss die Bewegung des Mondes und der Erde beim "Zielen" und beim Auswerten der Daten berücksichtigt werden. Das ist aber kein Hinderungsgrund, das Experiment auch durchzuführen - man darf das eben nur nicht vernachlässigen.

Das gilt aber bei jedem Experiment und bei jeder Messung: Man muss sich immer überlegen, welche Störfaktoren bekannt sind und wie man damit umgeht.

Hier ist die Bewegung der Himmelskörper eben bestens bekannt. Sie kann deshalb mühelos berücksichtigt werden. Wie die anderen schon schrieben: Beim "Zielen" ist das Problem ohnehin nicht sehr groß, weil der Strahl auffächert. Wichtiger ist es bei der Auswertung der Daten, weil die Bewegung die zu messende Entfernung vergrößert. Würde man das da nicht berücksichtigen, würde man sich einen systematischen Fehler in die Daten holen.

Wie die Experimente ganz genau durchgeführt werden, kannst Du übrigens auf den Scienceblogs nachlesen.

Z.B. bei Florian Freistetter

http://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2009/07/22/laserstrahlen-am-mond-lunar-laser-ranging/?all=1

oder Andreas Müller

https://scilogs.spektrum.de/einsteins-kosmos/mit-dem-laser-zum-mond/

beides also Astrophysiker, die wissen, wovon sie reden.

Grüße

Woher ich das weiß:Studium / Ausbildung – Diplom in Physik, Schwerpunkt Geo-/Astrophysik, FAU

Hm... die Erde dreht sich am Äquator in 24h ca. 40.000km weit... das sind ca. 1666,7km/h. Dies entspricht wiederum ca. 493m/s. In deinen 1,3s, bis der Laserstrahl zurück kommt, dreht sich die Erde also maximal 600m weiter. In höheren Breiten natürlich weniger, weil der Umfang der Erde kleiner ist.

So, und warum klappts dann, dass man den reflektierten Strahl auch dann sieht, wenn man keinen 600m großen (oder 600m entfernten) Sensor hat?

Ganz einfach: So ein Laserstrahl streut ja. Der fliegt ja nicht auf 1mm² gebündelt zum Mond und kommt nach der weiten Strecke auch mit 1mm² wieder zurück. Dazwischen sind so wahnsinnig viele Luftmoleküe, Staubteilchen, dann die unebene Oberfläche des Spiegels aufm Mond, dann wieder Staub, Mikromüll, Luftmoleküle... Du siehst einfach das Streulicht deines Lasers.

Die Frage ist dann, wieviel Photonen bleiben dann überhaupt noch vom Ursprungsstrahl übrig , wenn sie zurückkommen?

Sind die überhaupt noch messbar?

0
@FoxundFixy

Man wird sicherlich zusehen müssen, dass der Laser stark genug ist... mit dem Laserpointer für deine Powerpoints kommst du da nicht weit.

Du wärst erstaunt, was man alles messen kann.

0

Daß der Laserstrahl streut, dafür sorgen nicht nur Luft und Staub, sondern auch die Gesetze der Optik selbst: Allein, daß der Strahl aus einer Öffnung mit einem endlichen Durchmesser kommt, bewirkt, daß er sich mit einem bestimmten Winkel aufweiten muß, auch in perfektem Vakuum. Siehe unter Beugungsscheibchen oder Airy disk.

1
@Franz1957

Ok... Bist du mir böse, wenn ich mir einfach nur merke, dass der automatisch streut?

0

Die Aufweitung des Laserstrahls erfolgt nicht durch Streuung, sondern durch die Beugung an der Austrittsöffnung.

Und beim Rückreflex an der Öffnung des Retroreflektors.

1

Der Mond ist nicht schnell genug und auch nicht die Erdrotation. Da der Laser mit Licht Geschwindigkeit fliegt macht das nicht so viel aus das die Objekte in Bewegung sind.
Höchstens ein paar Zentimeter

Die Erde dreht sich mit 1670 Km/h , ohne die Bewegung des Mondes eingerechnet. Das dürften mehr als ein paar Zentimeter sein

0

du weißt aber das sich die erde in die selbe Richtung dreht wie der mond "fliegt". Daher ist dieser Wert nicht so groß.

0

Du musst natürlich trotzdem in einem Bestimmten Winkel treffen.

0

Was möchtest Du wissen?