Die Reichweite von den Radiosignalen im Weltall

[clapebe]

Re: Reichweite des Areciboteleskops

solltest Du als gestandener Wissenschaftler die Berechnungen von Drake selbst bachvollziehen können

Hi hanno,

weißt Du, die Zeit der Universalwissenschaftler ist schon lange vorbei.

Ich habe zunächst angewandte Radioaktivität gemacht, dann analytische Röntgenspekroskopie, und mich in den letzten Jahren mit Strahlenschutz und Nuklearmedizin beschäftigt.
Da war keine Zeit für für den Radiokram.

Und zudem, da muß ich mich leider wiederholen:
Wenn ich noch aktiver Wissenschaftler wäre, mit einer wissenschaftlichen bibliothek im Hause und den entsprechenden Kommunikationsmöglichkeiten, würde ich mich mal auf die Suche machen nach den Originalarbeiten (dazu gehören ja auch detaillierte angaben über die Elektronik und die Eigenschaften des Teleskops) und nach welcher Formel Drake gerechnet hat.
Aber ich bin (leider oder glücklicherweise?) auf meinem uckermärkischen Altersruhesitz vom Trubel des Wissenschaftsbetriebes sehr weit entfernt und möchte hier nur ganz zwanglos über Astronomie plauschen.

Gruß Clapebe

 

[UMa]

Re: Reichweite des Areciboteleskops

Hallo Clapebe, hallo alle anderen,

ich habe die Ursache des Problems gefunden zu haben:

1. Die Angabe von U. Walter in "Zivilisationen im All" bzw. "Außerirdische und Astronauten" zu der effektiven Sendeleistung von 3*10^10 W des Arecibotelegramms ist FALSCH.

Dazu relevante Links:
Die Arecibo-Botschaft
Boinc Arecibo
Wikipedia Arecibo

Dort wird 2*10^12 W als effektive Sendeleistung angegeben. dies ist erheblich mehr.
Die Stärke des Senders selbst wird mit 500kW angegeben. (statt der 930W (~1000W) die ich aus dem obigen falschen Wert errechnete)

Eine derartige Leistung des Senders ist auch plausibler, normale Radar anlangen haben ~50kW, der Sender des galileo uplink des DSN 20kW und am Radioteleskop in Effelsberg gibt es einen 400kW Sender.

Allerdings gibt es noch ein Problem. Die Werte 2*10^12 W und 500 kW
Möglichkeiten:
A 2*10^12 W ist ok, die Leistung des Senders ist nur 62kW
B mit 500kW ist die effektive Sendeleistung des Senders (ohne 305mSchüssel) gemeint, die wirkliche Leitung ist 62kW
C 500kW ist die Wirkliche Leistung des Senders dann ist die Effektive Leistung des signal 16*10^12 W, (die 2*10^12 W wurden falsch berechnet)
D die Schüssel ist wesentlich schlechter als kleinere (z.B. kugelschale statt Parabolschüssel ....) trotz
E 2*10^12 W ist ok, die Leistung des Senders ist 500kW, es wurde aber nur mit 62kW gesendet

D und E schließ ich mal aus.
Für am Wahrscheinlichsten halte ich B, da man dann diese Zahlen nicht anzweifeln müsste. (müsste man überprüfen). Ich gehe im weitern davon aus.


2. Die Formel aus dem gleichen Buch ist FALSCH, es muss heißen D^2 statt D, ob noch ein Vorfaktor wie z.B. pi/4 davor muß (pi/4*D^2 ist die fläche des empfängers, oder ab sich pi schon weggekürzt hat. kann ich im Moment nicht sagen.

Außerdem wird die Frequenz mit 2388Mhz statt 2380Mhz angegeben.

Mit den neuen Daten:
D=22800 Lj
f=2388 MHz
P_eff=2*10^12 W
t=167,9 s
d=304,8m
komme ich in obiger Rechnung auf N=26.5 Photonen.

Ob das Signale mit einer gleichgroßen Antenne wie in Arecibo epfangen werden kann hängt als von dem Rauschen ab.
Dies hängt von der Parametern: Bandbreite des Senders und Empfängers, dem akzeptierbaren Signal/Rauschverhältnis und der Systemrauschtemperatur ab.
ich weiß momentan nicht welche Werte ich dafür sinnvoller weise einsetzen soll.
Auf der 1. oben verlinkten Seite wird von einer Reichweite von 15000 Lj bei einem solchen Empfänger ausgegangen. (hoffentlich ist diese Zahl nicht wieder falsch).
Bei der Annahme der gleichen Parameter, ist wegen der besseren Auflösung, das Rauschen beim VLA (27 mal D=25m) viel geringer, es würde sich eine Theoretische Reichweite um ~110000 Lj? (ab der des Signal wegen des Rauschen nicht mehr empfangen werden könnte) ergeben. (wenn man es genauer wissen will, müsste man das Beugungsbild am VLA berechnen).
Allerdings kommen wegen der geringeren Empfangsfläche nur 4.8 Photonen im Mittel bei 22800Lj an, bei >50000Lj wieder <1, also nicht empfangbar.

Man könnte das Signal mit dem VLA also als 4 bis 5 Photonen Registreren, wärend es in einem Arecibo-Teleskop im stären Raumschn trotz größerer Empfangsfläche untergeht.
Die Frage ist natürlich, ob man eine derart geringe Anzahl als Beweis für ein Signal akzeptieren kann.

Die bezieht sich aber alles nur auf die Frage, Signal ja oder nein.
Was die Empfangbarkeit des Arecibotelegramms (die 1679 bit) angeht, sieht es wesentlich schlechter aus. In den meisten 0,1 Sekunden Intevallen wird gar nichts empfangen.
Daher können die Daten selbst, mit heute verfügbarer Technologie im Kugelsternhaufen nicht empfangen werden.

Da ich die oben genannten Parameter nicht kenn kann ich es nicht genau ausrechnen, wie weit man die Daten noch empfangen könnte.
Die Grenze liegt, vermutlich bei 500-2000Lj.

Allerdings kann ich durch Vergleich mit den Datenraten (und Sendeleistung usw.) feststellen in welcher Entfernung das Signal mit der gleichen Deutlichkeit (sprich Bitfehlerrate) wie die Signale der Planeten Sonden.

Entfernungen, in denen das Arecibotelegramm (AT) 10bit/s mit der gleichen Deutlichkeit unter Benutzung einer 304,8m Antenne, und einem Empänger gleich dem, der damals zum Empfang der Signale der Planetensonden benutzt wurde.
Galileosignal mit der LGA, = AT in 108Lj
Voyagersignale von Uranus und Saturn = AT in 57Lj
Voyagersignale von Jupiter = AT in 51Lj
Pioneer10/11-Signale = AT in 44Lj
Cassini bei Saturn = AT in 104Lj

Falls ich jemanden hiermit verwirrt haben sollte, bitte rückfragen.

Grüße UMa.

 

[UMa]

Hallo Patrick,

U. Walters Formel ist falsch. Er hat wahrscheinlich ein ² beim D vergessen.
Also besser:

R²=D²*P_eff/4kT *(t/(B*S/N))^0,5;

außerdem ist die effektive Sendeleistung der Arecibo Botschaft 2000 GW gewesen und nicht 30 GW.
(Siehe oben.)

Grüße UMa.

 

[clapebe]

Re: Reichweite des Areciboteleskops

Hallo UMa,

ich danke dir für die mühe, die Du zur Klärung des Problems aufwendest.

Nun gibt ja Drake an, daß ein dem Areciboteleskop anaolges Gerät dessen signale
"am anderen Ende der Milchstraße"
empfangen (also aus dem Rauschen herausfischen) könnte.

Wenn man das nachprüfen will, muß man wohl doch die Originalarbeiten von damals einsehen können.

Gruß Clapebe

 

[hanno]

Re: Reichweite des Areciboteleskops

Hi Clapebe,

dazu muß man kein Universalwissenschaftler sein. Und einige Physik- und Mathematikbücher werden sich wohl auch im Haus finden. Wenn mich das Thema im entferntesten interessieren würde, hätte ich es schon getan. Dir dagegen müsste es ein unwiderstehliches Bedürfnis sein, Drake argumentativ unter die Arme zu greifen.

Gruß hanno

 

[clapebe]

Re: Reichweite des Areciboteleskops

Hi Hanno,

Und einige Physik- und Mathematikbücher werden sich wohl auch im Haus finden.

darin sind aber vermutlich nicht die benötigten Spezifika der Arecibo Geräte zu finden

, Drake argumentativ unter die Arme zu greifen.

hat Uma ja nun schon übernommen <img src="/phpapps/ubbthreads/images/icons/wink.gif" alt="" />

Gruß Clapebe

 

[clapebe]

Re: Reichweite des Areciboteleskops

Hi hanno,

ich denke, Du und Patrick, Ihr habt da falsche vorstellungen von der wissenschaftlichen Arbeitsweise.
Es genügt eben nicht, sich irgendwo eine Formel herzunehmen und dann Zahlenwerte aus einer beliebigen anderen Quelle einzusetzen.

Wenn man nicht ein Fachmann für Radioastronomie ist, hat man schon einige Wochen zumindest damit zu tun, sich in die Materie einzuarbeiten, dazu braucht man aber auch mehr an Hilfsmitteln als gemeinhin im häuslichen bücherschrank aufzutreiben ist.

Ich stelle mir vor, Drake soll ein Strahlenschutzprojekt für den Betrieb eines Beschleunigers in der medizinischen Strahlentherapie ausarbeiten. . . <img src="/phpapps/ubbthreads/images/icons/wink.gif" alt="" />

Gruß Clapebe

 

[PSM]

Re: Reichweite des Areciboteleskops

Hallo UMa,
vielen Dank für deine Mühe!!!!

Also Autor sollte man schon die Daten und Formeln genau überprüfen! Offensichtlich hat sich U. Walter nicht daran gehalten.

MfG
Patrick

 

[MichaelJ]

Empfang einer Raumsonde

Da ihr gerade so schön am rechnen seid:
welche Sendeleistung und welche Schüsselgröße bräuchte denn eine Raumsonde, wenn sie in 5 Lichtjahren Entfernung zur Erde steht und hier lokal eine 500m-Schüssel zum Empfang bereit steht?

(Szenario: Wir katapultieren eine Sonde ins All, möglichst klein und leicht, die Jahrzehnte später Bilder funken soll)

 

[clapebe]

Re: Empfang einer Raumsonde

das ATA

Hallo Leute,

einen Empfindlichkeitsrekord der Empfangsgeräte wird wohl in den nächsten Jahren das ATA einstellen.

Es wird die zehnfache Empfindlichkeit des Areciboteleskops aufweisen.
sollten wir nicht davon ausgehen, daß die Aliens schon längst solche und bessere teleskope haben?

gruß Clapebe

 

[UMa]

Re: Empfang einer Raumsonde

Hallo MichaelJ,

um es einer Entfernung von 5Lj mit einer 500m-Schüssel, die Signale in gleicher Qualität zu empfangen wie die Signale von der Galileo-Hilfsantenne, ist eine effektive isotrope Leistung von 160MW pro (bit/s) notwendig.

Diese könnte z.B. bei einem X-Band-Sender(8,43GHz) mit 188W-Sendelestung, auf einer 14m Parabolschüssel erreicht werden. (1 bit/sec)

Oder mit einer existierenden Konfiguration:

Empfangsschüssel eine 304,8m wie in Arecibo. Der Sender auf Proxima Centauri 4,243Lj. (Leider liegt die fest installierte Areciboschüssel zu weit nördlich)
Damit wäre eine effektive Leistung 310MW pro (bit/s) notwendig
Datenrate 0,1bit/s (das sind 360 bit/h)
(Wie weit es etwas bringt mit der Datenrate herunterzugehen, hängt von der minimal erreichbaren Bandbreite ab.)
d.h 31MW effektive isotrope Leistung reichen.

Beispiele für Sendeleistung von einigen Raumsonden weiter oben im Thread.

Den stärksten Sender hat aber der für 2005 geplante
Mars Reconnaissance Orbiter
Schüssel D=3m,
Sender1 100W bei 8,4GHz in X-Band = 3,9MW effektve isotrope Leistung
Sender2 35W bei ~32GHz im Ka-Band = 19,7MW effektive isotrope Leistung
(die effektive isotrope Leistung ist um so höher, je höher die Frequenz (und je größer die Schüssel) ist, da dann das Signal auf einen kleineren Winkelbereich gebündelt werden kann.)

Mit einer 4m statt 3m Parabolschüssel (wie die von Cassini) wäre mit dem 35W Ka-Bandsender eine effektive isotrope Leitung von 35MW zu erreichen, ausreichend für 0,113 bit/s über eine 304,8m Schüssel mit Ka-Band-Empfänger mit der Qualität der Galileo-Daten Übertragung.

Eine Komunikation mit einer solchen Sonde wäre mit heutiger Technologie also relativ probemlos möglich.

Ein weitaus schwierigeres Problem ist es, eine Sonde in sinnvoler Zeit in eine solche Entfernung zu bringen. Dies ist mit heutiger Technologie völlig unmöglich.

Grüße UMa.

 

[MichaelJ]

Re: Empfang einer Raumsonde

Hallo UMa,
danke für deine Rechnung. Die Physik hat mich leider seit der schriftlichen Abiturprüfung verlassen...

Die Idee mit der Sonde kam durch das Konzept ohne eigenen Antrieb: Der Schub wird durch einen Laser erzeugt, der die Sonde vorwärtstreibt. Mit heutigen Mitteln ließe sich (theoretisch) ein AKW in einem LaGrange-Punkt errichten, es stünden also beispielsweise 1 GW zur Verfügung. Der Schub der Sonde ist nun einzig abhängig von deren Gewicht. Sie muss Messinstrumente mitführen, den Sender und Energie. Meine Überlegung war, die Sonde zu miniaturisieren - Kameras gibt es in Stecknadelkopfgröße usw.

Geht aber nicht, wegen dem Sender - deine Rechnung zeigt es. Die ganze Sonde wird damit zu groß und zu schwer. One-Way ist sie sowieso. Also ein wenig ausgereiftes Konzept.

Andererseits wissen wir nun, dass eventuelle Artefakte in unserem Sonnensystem eine gewissen Mindestgröße nicht unterschreiten können. Wir könnten sie also finden, gäbe es sie...

 

[UMa]

Re: Empfang einer Raumsonde

Hallo MichelJ,

zum Sender:
Ich habe nicht behauptet, dass es nicht auch mit viel kleinerem Sender geht. Das obige Beispiel sollte nur die prinzipielle Machbarkeit mit heutiger Technologie zeigen.

Die notwendige effektive Sendeleistung ließe sich verkleineren durch:

-Ein Array aus Teleskopen zum Empfang, die würde das Rauschen der Hintergrundstrahlung reduzieren.

-Rauscharme d.h. letztlich stark gekühlte Empfänger.

-Die Akzeptanz eine höheren Bitfehlerrate bei der Übertragung (als bei der von Galileo)

Weiterhin ließe sich durch die Wahl einer wesentlich höheren Frequenz, die effektive Sendeleistung trotz kleinerer Schüssel erreichen. Allerdings müssten dann die Empfänger außerhalb der Atmosphäre sein.

Ein Array mit der Gesamtempfangsfläche von z.B. 1 km und einem Auflösungsvermögen einer 4km (nur) Schüssel, wäre aus 4,243Lj in der Lage einen 10W Sender mit 10cm-Schüssel bei 300Ghz zu Empfangen. Bei einer größeren Emfangsfläche auch kleinere.


zum Antrieb:
Da sehe ich einige Probleme:
-Ein so starker Laser (Dauerbetrieb) exisistiert meines Wissens bisher nicht.
-Der Wirkungsgrad von Lasern ist sehr gering.
-Er würde auf geringe Entfernung (100km-bis einige 1000 km?) die Sonde schmelzen/verdampfen.
-Bei großen Entfernungen wäre er zu weit aufgefächert. Die Sonde brauchte daher viele m^2 große Segel. Trotzdem geht der größte Teil vorbei.
-Das AKW müsste gekühlt werden (kein Kühlwasser in Weltraum!), Daher Radiatoren mit vielen km^2 fläche notwendig.
-Die erreichte Geschwindigkeit ist zu gering, sie würde (wegen des 3. und 4. Punktes, (bei 20g/m^2)) etwa 10-15km/s kaum überschreiten.
-Wie soll die Sonde wieder abgebremst werden?

(Dieser Punkt könnte in einem eigenen Thread diskutiert werden, z.B. im Raumfahrtforum.)

Grüße UMa.

 

[MichaelJ]

Re: Empfang einer Raumsonde

Hallo UMa,

10 Watt und 10cm klingt faszinierend. Mit heutiger Technik!

Zum Antriebsprinzip: Es gibt eine Seite im Netz, da wird von einem Laser geschrieben, der einen Körper (x kg) gen Himmel beschleunigt. Leider habe ich keine Ahnung, wie weit die Entwicklung dafür ist, noch hab ich mehr die Quelle. Schlecht, ich weiß...

Ich gebe dir bei den Mängelpunkten recht. Die heutige Technik hat bei der Umsetzung große Defizite - allerdings sind das Details. Die ausreichende Bündelung des Lasers, die Kühlung des AKWs - vor 50 Jahren gab es die beiden Dinge noch gar nicht.

Die Sonde würde natürlich nicht bremsen können, das stimmt.

 

[UMa]

Re: Empfang einer Raumsonde

Hallo MichaelJ,

nein, nicht mit heutiger Technik. 300GHz sind heutzutage unrealistisch, Außerdem würde ein Signal dieser Frequenz in der Atmosphäre absorbiert.

Bei 34GHz (Ka-Band) würden aber 88cm Durchmesser bei 10W reichen (oder 47cm bei 35W).

Einen Empfanger mit 1km^2 Empfangsfläche gibt es zwar noch nicht, befindet sich aber in der Planungsphase(?), (SKA - Square Kilometer Array)
Wann es gebaut werden soll, weiß ich nicht.

Bei diesem Laserantrieb wird die Luft unter dem Objekt erhitzt. Im Vakuum bleibt nur der sehr geringe Stahlungsdruck. Ein hypothetischer P=1GW-Laser könnte maximal (bei vollständiger Reflexion) F=2*P/c = 6.67 N Schub erzeugen.
Siehe auch Zukünftige Antriebe.

Die Bündelung des Lasers ist durch die Unschärferelation begrenzt, abhängig von Wellenlänge und Laserdurchmesser. Es gilt der gleiche Winkel wie für die Auflösung von Teleskopen.

Grüße UMa.

 

[clapebe]

Re: Empfang einer Raumsonde

Hallo Uma,

Weil ich Dein Interesse für radioastronomische Sende und Empfangsprobleme kenne, kann ich Dich möglicherweise auf einen neuen erfreulichen Sachverhalt hinweisen:

http://www.jb.man.ac.uk/news/evlbi/

Even so, observing at a frequency of 1612 MHz, the signal from the distant star was more than a billion billion times weaker than a typical mobile phone handset!

Das empfangene Signal kam zwar von einem rätselhaften Stern, der bald explodieren wird, und nicht von den Aliens, aber der Artikel weist auf die ständige Verbesserung der Technik hin.

Gruß Clapebe

 

[clapebe]

Arecibobotschaft

Hallo Uma,

in der letzten Sky and T. ausgabe (november) ist in einem Artikel (p. 45) dem 30 Jährigen Jubiläum der Arecibobotschaft gedacht, die zum M13 unterwegs ist.

die haben scheinbar immer noch nicht gemerkt, daß diese message( nach den hier vorliegenden Berechnungen) bei den Aliens dort gar nicht ankommen kann.

Ob die irgendwie anders rechnen?

gruß Clapebe