Halo-Orbit

Ein Halo-Orbit ist eine periodische Umlaufbahn um einen der fünf Lagrange-Punkte eines Zweikörpersystems (z. B. Sonne-Erde oder Erde-Mond). An den Lagrange-Punkten balancieren sich Gravitationskräfte und Zentrifugalkraft so aus, dass ein Objekt dort theoretisch stationär bleiben kann. In der Praxis sind die Punkte L1, L2 und L3 instabil: Kleine Störungen treiben ein Objekt davon ab. Ein Halo-Orbit umkreist den Punkt und hält das Raumfahrzeug durch gelegentliche kleine Korrekturen (Station Keeping) in der Nähe.

Der Name kommt von Robert Farquhar, der diese Orbits 1968 in seiner Doktorarbeit beschrieb. Von der Erde aus betrachtet scheint das Raumfahrzeug einen Heiligenschein (Halo) um den jeweiligen Lagrange-Punkt zu beschreiben.

Das James Webb Space Telescope (JWST) umkreist den Lagrange-Punkt L2 des Sonne-Erde-Systems auf einem Halo-Orbit mit einem Durchmesser von ca. 1 Million km. L2 liegt 1,5 Millionen km von der Erde entfernt, auf der sonnenabgewandten Seite. Dort kann das Teleskop seinen Sonnenschild permanent zur Sonne ausrichten und die Optik auf unter 50 Kelvin (-223 °C) kühlen.

Weitere Missionen in Halo-Orbits: SOHO und DSCOVR am Punkt L1 (zwischen Erde und Sonne, für Sonnenbeobachtung). Gaia am Punkt L2 (Vermessung einer Milliarde Sterne). Die geplante Lunar Gateway Station soll einen Near Rectilinear Halo Orbit (NRHO) um den Erde-Mond-L2-Punkt nutzen, eine langgestreckte Variante, die den Mond in 6,5 Tagen umläuft.

Halo-Orbits sind in der Science-Fiction selten konkret benannt, aber das Konzept versteckter Stationen an Lagrange-Punkten ist beliebt. In der Gundam-Serie befinden sich Weltraumkolonien an den Erde-Mond-Lagrange-Punkten. In Larry Nivens Known Space ist der Erde-Mond-L4-Punkt Standort der Weltraumstation Confinement Asteroid.

Die dynamische Stabilität eines Halo-Orbits hängt vom Massverhältnis der beiden Körper ab. Je kleiner die Masse des kleineren Körpers im Verhältnis zum größeren ist, desto enger werden die stabilen Bereiche um die Lagrange-Punkte. Am Erde-Mond-System sind L4 und L5 stabil genug, dass sich dort real Staubwolken ansammeln (die sogenannten Kordylewskischen Wolken, deren Existenz 2018 von ungarischen Forschern bestätigt wurde). L1, L2 und L3 sind im Sonnensystem instabil: Ohne gelegentliche Korrekturtriebwerke driftet ein Raumfahrzeug innerhalb von Wochen ab.

Für zukünftige Mondmissionen ist der Near Rectilinear Halo Orbit (NRHO) um den Erde-Mond-L2-Punkt die bevorzugte Station-Keeping-Bahn des Lunar Gateway. Der NRHO hat den Vorteil, dass er dem Mond nahe genug ist für Pendelmissionen zur Oberfläche, aber weit genug entfernt, um den Strahlungsschutz des Monds zu nutzen und Kommunikation mit der Erde aufrechtzuerhalten. Er umläuft den Mond auf einer stark elliptischen Bahn mit dem nächsten Punkt bei ca. 3000 km und dem fernsten bei ca. 70.000 km über dem Mondpol.

Für SF-Autoren bieten Lagrange-Punkte das, was kein normaler Orbit bieten kann: einen Ort, der gleichzeitig nah und stabil ist. Kolonien dort müssen nicht kontinuierlich antreiben wie Raumstationen in niedrigem Orbit, aber sie fallen auch nicht einfach auf einen Planeten herunter wie ein freifliegender Asteroid.