Steampunk bei der Mondlandung: Der Space Sextant

Der Weg zur Mondlandung musste im wahrste Sinne erst mal gefunden werden. Und dafür wurde eine uralte Technik zur Navigation von der NASA neu aufgelegt.

Als der ersten Mensch bei der Mondlandung seinen Fuß auf den Trabanten setzte, war es noch über ein Jahr, bevor ich die Erde betreten habe. Im Jahr 1981 kam der Commodore VC 20 auf den Markt, der wenig später mein erster Computer sein sollte. Ich war technologisch also nicht unglaublich weit vom Mondflugzeitalter Ende der 60er-Jahre entfernt. Aber doch staune ich immer wieder, wenn ich darüber lese oder in Dokumentationen sehe, mit welcher Ausrüstung man damals zum Mond geflogen ist. Und manchmal ist es auch nur der Name der Technik, der mich stauen lässt.

Astronaut Walter Cunningham arbeitet bei der Apollo-7-Mission am Space Sextant des Kommandomoduls.
Astronaut Walter Cunningham arbeitet bei der Apollo-7-Mission am Space Sextant des Kommandomoduls. Foto: NASA

Space Sextant — das klingt nach Steampunk, nach Science Fiction mit Dampf, Schrauben und Bolzen. Einen Sextanten hat man vor Augen, wenn man an die die Seefahrten vor vielen hundert Jahren denkt, zur Raumfahrt mag das Instrument so gar nicht passen.

Dabei hat der Sextant als Instrument zur Bestimmung der Position erst mit der Einführung von GPS wirklich an Bedeutung in der Seefahrt verloren. In den 1960er-Jahren war das Gerät noch auf jedem Schiff im Einsatz. Und eben auch in den Raumschiffen der Mercury- und Apollo-Missionen.

Kurs zum Mond! – aber welchen Kurs?

Das Ziel des Apollo-Projekts war eine bemannte Mondlandung. Dass es nicht einfach sein würde, die Apollo-Kapseln auf ihrer 1,5-Millionen-Kilometer-Reise sicher zu navigieren, war der NASA sehr früh klar. Darum war einer der ersten Verträge, den die Behörde für das Apollo-Programm abschloss, der mit dem Instrumentation Lab des Massachusetts Institute of Technology (MIT).

Das MIT/IL hatte bereits eine Studie für eine mögliche Navigation einer Marssonde entwickelt. Die Sonde ist nie gebaut worden, die technischen Ideen für eine gezielte Navigation lagen aber noch in Schubladen des Instituts.

„This Mars probe had several novel features, later incorporated in the Apollo system, including a space sextant to make periodic navigation angle measurements between pairs of celestial objects: the sun, the near planets, and selected stars.“
(Diese Marssonde hatte mehrere neue Funktionen, die später in das Apollo-System übernommen wurden, darunter einen Weltraum-Sextanten, um periodisch Winkelmessungen für die Navigation zwischen Paaren von Himmelsobjekten zu machen: Die Sonne, die nahen Planeten und ausgewählte Sterne)
„The History of Apollo On-Board Guidance, Navigation and Control“, The Eagle Has Returned, Science and Technology, Vol. 43, American Astronautical Society Publication, 1976

Apollo 11 von außen, mit Space Sextant. Foto: NASA
Apollo 11 von außen, mit Space Sextant. Foto: NASA

Das Instrumentation Lab ließ sich für die Navigation im All von einem bewährten Gerät inspirieren — dem Sextanten. Im Groben wird die Positionsbestimmung oder die Bestimmung der Ausrichtung des Raumschiffs durch die Messungs des Winkels zwischen Erde bzw. Mond und einem Stern oder zwischen zwei Sternen durchgeführt. Dabei werden die zwei Bilder der Himmelskörper durch einen beweglichen halbtransparenten Spiegel zur Deckung gebracht. Über den Winkel des Spiegels kann man mit ein paar Berechnungen und astronomischen Tabellen die Position bestimmen.

Navigation im Sternenmeer

Die Prinzipien der Messung sind beim nautischen Sextanten und dem Space Sextant gleich. Vielleicht war die Entscheidung, eine beinahe archaische Technik aus der Seefahrt für die Navigation im All zu verwenden, auch von dem Bild inspiriert, dass der US-Präsident Kennedy in seiner berühmten Mondlandung-Rede benutzte:

„We set sail on this new sea because there is new knowledge to be gained, […]“
(Wir setzen die Segel auf dieser neuen See, weil dort neues Wissen zu erwerben ist, […])
John F. Kennedy, „Mond-Rede“, 12. September 1962

Der Weltraum als das neue Meer, das nun befahren werden soll. Da passte ein Sextant im All wie die Faust aufs Auge. So ähnlich die Prinzipien des Seefahrer- und Raumfahrer-Sextanten aber auch waren, im Aufbau unterschieden sich die beiden Instrumente sehr. Und so einfach es klingt — der Sextant (SXT) der Apollo-Raumschiffe war ein hochkomplexes Gerät. Es hatte eine 28-fache optische Vergrößerung. Es konnte manuell bedient werden — der Astronaut steuert das Kommandomodul so, dass die Bilder der angepeilte Himmelskörper übereinander liegen –, halbautomatisch — der Computer berechnet die nötige Drehung und führt sie aus — oder vollautomatisch — der Computer übernimmt alles. Statt in umfangreichen astromischen Tabellen nachzuschlagen, übernahm der Navigationsomputer, der AGC (Apollo Guidance Computer) die Berechnungen nach gespeicherten Sterndaten.

Eine erster Prototyp wurde beim Flug von Gemini 10 von den Astronauten Michael Collins und John Young im Jahr 1966 getestet — mit mäßigem Erfolg.

John, I don’t know what’s wrong with this sextant. I’m sorry, but this thing – I cannot put the image through it. I look through it and — […] — there must be something wrong with this thing.
(John, ich weiß nicht was mit dem Sextanten los ist. Es tut mir leid, aber das Ding — ich bekomme da kein Bild hin. Ich schaue durch und — […] — da muss was falsch sein an dem Ding.
Michael Collins zu John Young, Funkverkehr Gemini 10, 1966

Space Sextant in Aktion

Das MIT/IL entwickelte den Space Sextant weiter. Doch nach der Apollo-1-Katastrophe konnte erst wieder im Oktober 1968 mit Apollo 7 das verbesserte Gerät im All getestet werden. Im Dezember des gleichen Jahres wurde es dann wirklich ernst für den Space Sextant. Mit Apollo 8 machte sich das erste bemannte Raumschiff auf, den Mond zu umkreisen. Und während des Flugs um die Rückseite des Monds war die Apollo-Kapsel auf sich alleine gestellt. Ihre Position konnte nicht von der Erde aus bestimmt werden. Der Sextant war so lange also die einzige Möglichkeit, Position und Kurs zu bestimmen.

Probe für die spätere Mondlandung: Astronaut Jim Lovell am "Space Sextant" beim Flug von Apollo 8. Foto: NASA, public domain
Astronaut Jim Lovell am „Space Sextant“ beim Flug von Apollo 8. Foto: NASA, public domain

Ein Missgeschick passierte Apollo-8-Astronaut Jim Lovell beim Rückflug zur Erde: Er löschte aus Versehen einen Teil des Speichers und ließ den Computer glauben, das Schiff stehe in Startposition. Lovell musste über den Sextanten Apollo 8 manuell an den Sternen Rigel und Sirius ausrichten und die Computer wieder mit den richtigen Daten fütter. Das war ärgerlich, aber nicht kritisch — und sehr nützlich, wie Lovell später sagte, für ein ähnliches Problem bei seinem Flug in der Apollo-13-Katastrophenkapsel.

Sicher zur Mondlandung navigiert

Der Space Sextant war ein interessantes Teil im technischen Puzzle der Apollo-Mission. Es ist schwer zu sagen, ob es ohne ihn nicht trotzdem gelungen wäre, Menschen auf den Erdtrabanten zu bringen. Schließlich konnte die Position der Raumschiffe auch von der Erde über die Antennen des Anfang der 60er gerade existierenden Deep Space Networks berechnet werden. Doch ein autarkes Navigationsystem hat sich mehrmals als nützlich erwiesen.

Ich bin hier nur sehr grob auf die technischen Feinheiten und die Funktionsweise des Space Sextants eingegangen. Wer sich dafür interessiert, sollte den Artikel „Apollo – Guidance, Navigation and Control“ (PDF) des Instrumentational Labs lesen. Dort wird — auf Englisch — sehr ausführlich von den Überlegungen des MIT/IL und der Technik der Apollo-Navigation berichtet.