Lunare Kommunikation: Die Vernetzung der nächsten Grenze
Missionen wie Artemis II ebnen den Weg dafür, dass Menschen langfristig wieder zum Mond fliegen können. Verlässliche Kommunikationsmittel sind dabei ein Pfeiler der Infrastruktur künftiger Mondmissionen. Eine internationale Gruppe, in der auch das BAKOM mitwirkt, erarbeitet gegenwärtig die Grundlagen für stabile Mondkommunikationssysteme. Mit deren Hilfe sollen Astronautinnen und Astronauten, Erkundungsfahrzeuge und Mondlandefähren künftig vernetzt bleiben, sich sicher fortbewegen und ihre Entdeckungen an die Erde übermitteln können.
Ivica Stevanovic und Benjamin Fuchs, Konzessionen und Frequenzmanagement.
Der Netzaufbau auf dem Mond ist für eine zuverlässige Kommunikation und Koordination wesentlich. Ein lunares Netz ermöglicht Astronautinnen und Astronauten den ständigen Kontakt untereinander und mit ihren Stationen. Zudem können Erkundungsfahrzeuge (Rover) dadurch hochauflösende Videodaten an die Landefähren senden, während komplexe wissenschaftliche Experimente präzise synchronisiert werden. Ohne diese Infrastruktur wäre das ehrgeizige Ziel einer dauerhaften menschlichen Präsenz auf dem Mond undenkbar.
Neues Modell für die Ausbreitung von Funkwellen ausserhalb der Erde
Auf dem Mond herrschen völlig andere physikalische Bedingungen als auf der Erde. Deshalb sind die Modelle zur Funkwellenausbreitung, die für die Planung terrestrischer Mobilfunknetze verwendet werden (z. B. zur Berechnung der Abdeckung von Basisstationen für unsere Smartphones), nicht für die Mondumgebung geeignet. Zur Lösung dieses Problems entwickelte eine Studiengruppe der Internationalen Fernmeldeunion (ITU-R), in der das BAKOM aktiv mitwirkt, ein spezielles Modell. Letzteres wurde in einer ITU-R-Empfehlung beschrieben, die 2025 veröffentlicht wurde.
Eigenschaften des Monds als Herausforderung
Die Modellierung der Ausbreitung von Funkwellen auf dem Mond ist mit besonderen Herausforderungen verbunden, da die Bedingungen dort nicht den gewohnten Eigenschaften der Erde entsprechen.
- Fehlende Atmosphäre: Auf der Erde kann die Atmosphäre Funkwellen brechen (ablenken oder krümmen) und ihnen dadurch ermöglichen, sich über den Horizont hinaus auszubreiten. Der Mond besitzt keine Atmosphäre, sodass keine solche Brechung stattfindet: Sobald sich der Empfänger nicht mehr in Sichtlinie zum Sender befindet, nimmt die Signalstärke stark ab und der Empfang wird erschwert.
- Geometrie eines kleinen Himmelskörpers: Der Mondradius beträgt nur etwa ein Viertel des Erdradius. Dadurch liegt der Horizont deutlich näher, und die maximale Reichweite von Funksignalen ist wesentlich kleiner.
- Einzigartige Oberflächeneigenschaften: Auf dem Mond gibt es weder Vegetation noch Bauwerke (in der Fachsprache als Clutter bezeichnet). So entfallen die Signalverluste durch solche auf der Erde üblichen Hindernisse. Zudem bewirken die besonderen elektromagnetischen Eigenschaften des Mondbodens (sog. Regolith), dass die Funkwellen im Vergleich zum Erdboden anders reflektiert und gestreut werden.
- Digitales Relief: Eine genaue Modellierung der Funkwellenausbreitung gelingt nur mit hochauflösenden topografischen Mondkarten. Nur so können tiefe Krater und hohe Gebirgskämme berücksichtigt werden, die Funksignale abschirmen können.
Erhalt der Funkstille: die geschützte Zone des Mondes
Die grösste Herausforderung besteht jedoch zweifellos darin, die Notwendigkeit der Kommunikation auf dem Mond mit dem Erhalt einer funkstillen Region in Einklang zu bringen. Die geschützte Zone des Mondes (sog. Shielded Zone of the Moon) befindet sich auf der erdabgewandten Mondseite. Sie gilt als einziger Ort in Erdnähe, der wirklich «funkstill» ist. Durch seine Masse schirmt der Mond das ständige «Rauschen» der terrestrischen Funkübertragungen sowie der um die Erde kreisenden Satelliten ab. Dadurch wird diese Zone zu einem äusserst wertvollen Standort für die Radioastronomie.
Forschende wollen diese Zone nutzen, um das Universum unter einzigartigen Bedingungen zu beobachten. Hier können sie:
- schwache Signale aus der Epoche vor der Entstehung der ersten Sterne empfangen. Auf der Erde werden diese Signale durch die als Ionosphäre bezeichnete Atmosphärenschicht in 60 bis 1000 km Höhe abgeschirmt;
- Gravitationswellen in einer seismisch stabilen Umgebung und bei Temperaturen von bis zu –250 °C nachweisen;
- im Vakuum des Weltraums frei von meteorologischen Störungen nach möglichen Anzeichen ausserirdischer Intelligenz suchen.
Ohne strikte Regulierung der Entwicklung lunarer Kommunikationsnetze könnten unbeabsichtigte Funkemissionen diese äusserst empfindlichen wissenschaftlichen Beobachtungen stören. Der Erhalt der geschützten Zone des Mondes ist daher ein Kernanliegen der internationalen Koordination, besonders im Rahmen des Radioreglements der ITU-R (Art. 22). Trotz des Ausbaus der lunaren Kommunikation sollen wir noch in der Lage sein, das Weltall zu «hören». Gegenwärtig befasst sich eine Studiengruppe der ITU-R mit diesen Themen.
Das BAKOM, das sich aktiv an den entsprechenden Arbeiten beteiligt, bereitet sich auf die Weltfunkkonferenz der Internationalen Fernmeldeunion (WRC-27) vom 18. Oktober bis zum 12. November 2027 in Schanghai (China) vor. An diesem globalen Gipfeltreffen werden wegweisende Beschlüsse gefasst – sowohl zum Mond als auch zu anderen wichtigen Fragen der internationalen Harmonisierung des Frequenzspektrums.