So nehmen Sie Mondlandungsvideos auf – von körnig bis HD

Die Qualität der Videoübertragung wird höher sein als bei den Apollo-Missionen, aber Videoprofis werden immer noch mit herausfordernden Einschränkungen auf dem Mond konfrontiert sein, wie z. B. Bandbreite, Signalverzögerungen, Mondlicht und dem allgegenwärtigen Staub.

Ein halbes Jahrhundert, nachdem die Menschheit zum ersten Mal die Mondoberfläche betreten hat, bereiten Fachleute für Weltraumkommunikation die bestmögliche Berichterstattung über diesen epischen Moment vor.

Nach dem ikonischen, körnigen Filmmaterial der 1960er Jahre, steht viel auf dem Spiel, um sowohl die wissenschaftlichen Ziele zu erreichen als auch ein bildhungriges Publikum zu befriedigen.   

Eine Probe mit einer realistischen Mondeinstellung fand kürzlich in der LUNA-Anlage in Deutschland statt. Die ESA und das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) haben gemeinsam einen simulierten Mondspaziergang aufgezeichnet und die Bilder als Referenzdateien für zukünftige Operationen auf der Mondoberfläche verwendet.

Vorbereitung auf den Ernstfall

Es wurde aufgenommen, wie Crewmitglieder eine Landekapsel verließen, den Mond erkundeten und sogar ein Mond-Selfie machten, um die Reflexion auf dem Helmvisier einzufangen. Die Bildfachleute haben sowohl statische als auch sehr dynamische Bilder mit Astronautinnen und Astronauten und Kameras in ständiger Bewegung aufgenommen.

Bei dieser Übung ging es nicht darum, gefälschtes Mondmaterial zu erstellen. Das Team arbeitete an der Entwicklung realistischer Testclips, die von einfachen Szenen bis hin zu Szenen mit vielen Bewegung oder „Encoder-Killern“ reichten, um die Nutzung der Bandbreite für Mond-Übertragungen zu minimieren.

Standards für Weltraumbilder

Raumfahrtagenturen und -unternehmen nutzen Bilder, um ihre Explorationserfolge mit der Öffentlichkeit zu teilen. Die meisten Videos von Starts, der Internationalen Raumstation und dem Weltraum werden komprimiert, bevor sie gespeichert oder zur Erde zurückgestreamt werden.

Um Qualität und Kompatibilität zu gewährleisten, nehmen Fachleute aus 28 Nationen am Consultative Committee for Space Data Systems (CCSDS) teil, um verschiedene Arten der Kodierung und Übertragung zu diskutieren, um unter anderem die Videoqualität und den Datenumschlag aus dem Weltraum sicherzustellen.

Dieses multinationale Team befasst sich mit den Herausforderungen, die durch die begrenzte vom Mond verfügbare Bandbreite bei der Gewinnung qualitativ hochwertiger Bilder entstehen. Eine gemeinsame Referenz hilft Wissenschafts-, Ingenieurs- und Bildverarbeitungsteams zu wissen, was sie erwartet, bevor die Rakete abhebt.

"Diese Bemühungen sollten Agenturen und Unternehmen dabei helfen, eine Referenzgrundlage für Videoanwendungen und -geräte zu schaffen. Die Aktivitäten zur Verfeinerung der Videoqualität beziehen sich nicht nur auf Mondbilder, sondern auf alle Weltraumübertragungen", sagt Falk Schiffner, DLR-Repräsentant im CCSDS-Team Bewegtbilder und Anwendungen.

Europas Mond auf der Erde

Die LUNA-Anlage bietet realistische Mondbedingungen, um Geräte und Verfahren vor tatsächlichen Missionen zu testen. 

Mit mehr als zwei Jahrzehnten Erfahrung in der Verarbeitung und Bereitstellung von Weltraumaufnahmen war die Vertreterin der ESA, Melanie Cowan, CCSDS Motion Imagery and Applications Working Group, begeistert, als sie zum ersten Mal den „europäischen Mond auf der Erde“ betrat.

"Ich hatte einen flüchtigen Eindruck davon, wie es auf dem Mond sein könnte. Näher an die Realität kann man nicht herankommen. Es war eine besondere und herausfordernde Erfahrung, in dieser surrealen Umgebung zu filmen und zu fotografieren", so Cowan.

Staub, Licht, Action

Cowan trug Schutzkleidung, um zu verhindern, dass Staub an ihrer Kleidung und ihren Haaren haften blieb und um ein Einatmen zu vermeiden. Mondstaub stellt eine der größten Herausforderungen beim Filmen dar. Bei jedem Schritt auf dem „Mondfeld“ werden Staubpartikel an die Oberfläche gebracht, die in der Luft schweben und die Bilder verzerren.

Es gibt Wände, Kabel und Vorhänge, die in den Szenen so weit wie möglich vermeiden müssen - die Testclips sollen so mondähnlich wie möglich sein.

Das Team verbrachte Zeit damit, Kamerawinkel, -bewegungen und -beleuchtung zu testen. "Wir haben verschiedene Sonnensimulatoren und -techniken ausprobiert, um die Beleuchtung der Sonne auf dem Mond nachzubilden. Wir haben untersucht, wie sich der Schatten der Felsen und im Inneren der Krater auswirkt", sagt Cowan.

"Erste Tests haben gezeigt, dass HDR-Videos mehr Details in Schattenbereichen auf der Mondoberfläche liefern", fügt sie hinzu.

Die Herausforderungen der Mondübertragung

Das Übertragen von Videos vom Mond ist nicht so einfach wie das Hochladen auf YouTube. Die Haupteinschränkungen für Mondübertragungen sind die Größe und der Stromverbrauch. Mondgeräte müssen leicht, energieeffizient und widerstandsfähig gegen extreme Temperaturschwankungen sein.

Selbst wenn wir in der Lage sind, Übertragungen mit hoher Bandbreite zur und von der Erde zu ermöglichen, machen die Größe und das Gewicht der Sender den Transport unpraktisch.

Die Apollo-Missionen verwendeten Mikrowellenfrequenzen, die 20 000 Watt Leistung benötigten, um Signale zum Mond zu senden. Die Kommando- und Mondlandefähre des Raumschiffs verfügte über kleine Antennen und einen kleinen Sender mit einer Leistung von nur 20 Watt. Um dies zu kompensieren, verfolgten die großen Antennen des Deep Space Network auf der Erde die Reise zum Mond.

Eine weitere Herausforderung ist die Signalverzögerung. Es dauert 1,3 Sekunden, bis ein Radiosignal vom Mond zur Erde gelangt ist.

Das Moonlight-Programm der ESA zielt darauf ab, eine Konstellation von fünf Satelliten – einen für die Kommunikation mit hohen Datenraten – in eine Umlaufbahn um den Mond zu bringen. Die Konstellation wird die Kommunikationsverbindungen zwischen dem Mond und der Erde verbessern.

Schon gewusst?

• Apollo 10. Die Mission verwendete ein rotierendes Farbrad an der kleinen Schwarz-Weiß-Kamera. Jeder Feldscan hatte einen anderen Filter, um rote, grüne und blaue Farbkanäle zu erstellen.
• Apollo 11. Die ersten Bilder von Menschen, die auf dem Mond laufen, sind in Schwarz-Weiß, weil die Bandbreite der Mondlandefähre nicht ausreichte, um Farbe zu übertragen. 
• *Apollo 12. Die Videoaufzeichnung des Mondspaziergangs endete abrupt, nachdem die Kamera versehentlich auf die Sonne gerichtet wurde. Dabei wurde die Vakuum-Aufnahmeröhre beschädigt, mit der das Lichtbild in ein elektrisches Signal umgewandelt wurde. Nachfolgende Apollo-Missionen trugen eine Schwarz-Weiß-Kamera als Backup, die jedoch nie verwendet wurde.
• Artemis. Videos, die während der Ausstiege auf dem Mond von den Raumanzügen aufgenommen werden, sollen nach Houston geschickt, von den Missionskontrollteams entschlüsselt und der Öffentlichkeit zur Verfügung gestellt werden.
• Die Zukunft. Die optische Kommunikation, bei der Laser für Übertragungen verwendet werden, könnten leicht und in der Lage, eine relativ hohe Bandbreite zu erreichen, und zwar mit Raten, die denen entsprechen, die wir routinemäßig auf der Erde empfangen.