Vor 50 Jahren, in dieser Woche, unternahm die Menschheit ihre erste Expedition zu einer anderen Welt, als Apollo 11 auf dem Mond landete und zwei Astronauten seine Oberfläche betraten. Dieser Moment veränderte die Welt auf eine Art und Weise, die bis heute nachhallt.
Die tiefen und vielfältigen Verbindungen des MIT zu diesem epochalen Ereignis – von denen viele auf MIT News beschrieben wurden – begannen bereits Jahre vor der eigentlichen Landung, als das MIT Instrumentation Laboratory (heute Draper) den allerersten Vertrag für das Apollo-Programm nach dessen Ankündigung durch Präsident John F. Kennedy im Jahr 1961 unterzeichnete. Die Beteiligung des Instituts setzte sich während des gesamten Programms fort – und dauert bis heute an.
Die Rolle des MIT bei der Entwicklung des Navigations- und Leitsystems, das die Mission zum Mond und zurück brachte, ist in Büchern, Filmen und Fernsehserien weithin bekannt. Aber viele andere Aspekte der Beteiligung des Instituts am Apollo-Programm und dessen Vermächtnis, einschließlich der Fortschritte im Maschinenbau und der Computertechnik, der Simulationstechnologie, der biomedizinischen Studien und der Geophysik der Planetenbildung, sind weniger gefeiert worden.
Inmitten des wachsenden Chors von Erinnerungen in verschiedenen Medien, die rund um dieses 50-jährige Jubiläum erschienen sind, ist hier eine kleine Sammlung von Bits und Stücken über einige der unbesungenen Helden und weniger bekannten Fakten des Apollo-Programms und der zentralen Rolle des MIT darin.
Ein neues Zeitalter der Elektronik
Das Computersystem und die dazugehörige Software, die das Raumschiff steuerte – Apollo Guidance Computer genannt und vom MIT Instrumentation Lab Team unter der Leitung von Eldon Hall entwickelt – waren bemerkenswerte Errungenschaften, die dazu beitrugen, die Technologie in vielerlei Hinsicht voranzutreiben.
Die Programme des AGC wurden in einer der allerersten Compiler-Sprachen, genannt MAC, geschrieben, die vom Instrumentation Lab Ingenieur Hal Laning entwickelt wurde. Der Computer selbst, der 1-Kubikfuß große Apollo Guidance Computer, war der erste bedeutende Einsatz von integrierten Silizium-Schaltkreisen und beschleunigte die Entwicklung der Mikrochip-Technologie, die seitdem praktisch jedes Konsumprodukt verändert hat.
In einer Zeit, in der die meisten Computer ganze klimatisierte Räume einnahmen, war der kompakte AGC einzigartig klein und leicht. Aber der größte Teil seiner „Software“ war tatsächlich fest verdrahtet: Die Programme waren gewebt, mit winzigen donutförmigen Metall-„Kernen“, die wie Perlen entlang einer Reihe von Drähten aufgereiht waren, wobei ein bestimmter Draht außerhalb des Donuts verlief, um eine Null darzustellen, oder durch das Loch für eine 1. Diese so genannten Seilspeicher wurden in den Bostoner Vororten bei Raytheon hergestellt, meist von Frauen, die eingestellt worden waren, weil sie Erfahrung in der Weberei hatten. Einmal hergestellt, gab es keine Möglichkeit, einzelne Bits innerhalb des Seils zu ändern, so dass jede Änderung an der Software das Weben eines ganz neuen Seils erforderte und Änderungen in letzter Minute unmöglich waren.
Wie David Mindell, der Frances und David Dibner Professor für die Geschichte des Ingenieurwesens und der Fertigung, in seinem Buch „Digital Apollo“ hervorhebt, stellte dieses System das erste Mal dar, dass ein Computer jeglicher Art verwendet wurde, um viele Funktionen eines Fahrzeugs, das Menschen beförderte, in Echtzeit zu steuern – ein Trend, der sich weiter beschleunigt, da sich die Welt in Richtung selbstfahrender Fahrzeuge bewegt. Gleich nach den Apollo-Erfolgen wurde die AGC direkt an einen F-8-Kampfjet angepasst, um das allererste Fly-by-Wire-System für Flugzeuge zu schaffen, bei dem die Steuerflächen des Flugzeugs über einen Computer statt über direkte Kabel und Hydrauliksysteme bewegt werden. Dieser Ansatz ist heute in der Luft- und Raumfahrtindustrie weit verbreitet, sagt John Tylko, der am MIT die Klasse 16.895J (Engineering Apollo: The Moon Project as a Complex System) unterrichtet, die alle zwei Jahre angeboten wird.
So ausgeklügelt der Computer für seine Zeit auch war, Computeranwender würden ihn heute kaum noch als solchen erkennen. Seine Tastatur und sein Bildschirm sahen eher aus wie die einer Mikrowelle als wie ein Computer: ein einfacher Ziffernblock und ein paar Zeilen mit fünfstelligen Leuchtanzeigen. Selbst der große Großrechner, der zum Testen des Codes während der Entwicklung verwendet wurde, hatte keine Tastatur und keinen Bildschirm, den die Programmierer jemals zu Gesicht bekamen. Die Programmierer schrieben ihren Code mit der Hand, tippten ihn dann auf Lochkarten – eine Karte pro Zeile – und gaben den Kartenstapel an einen Computerbediener weiter. Am nächsten Tag wurden die Karten mit einem Ausdruck der Programmausgabe zurückgegeben. Und in dieser Zeit, lange vor der E-Mail, beruhte die Kommunikation im Team oft auf handschriftlichen Notizen auf Papier.
Preisloses Gestein
Die Beteiligung des MIT an der geophysikalischen Seite des Apollo-Programms reicht ebenfalls bis in die frühen Planungsphasen zurück – und dauert bis heute an. So half Professor Nafi Toksöz, ein Experte für Seismologie, bei der Entwicklung einer seismischen Überwachungsstation, die die Astronauten auf dem Mond platzierten, wo sie zu einem besseren Verständnis der Mondstruktur und -formation beitrug. „Es war die härteste Arbeit, die ich je gemacht habe, aber definitiv die aufregendste“, hat er gesagt.
Toksöz sagt, dass die Daten der Apollo-Seismometer „unser Verständnis des Mondes komplett verändert haben.“ Die seismischen Wellen, die auf der Erde nur wenige Minuten andauern, hielten zwei Stunden an, was sich als Folge des extremen Wassermangels auf dem Mond herausstellte. „Das war etwas, was wir nicht erwartet und noch nie gesehen hatten“, erinnert er sich.
Das erste Seismometer wurde kurz nach der Landung der Astronauten auf der Mondoberfläche platziert, und Seismologen, darunter Toksöz, begannen sofort, die Daten zu sichten – einschließlich jedes Schrittes, den die Astronauten auf der Oberfläche machten. Selbst als die Astronauten zum Lander zurückkehrten, um vor dem morgendlichen Start zu schlafen, konnte das Team sehen, dass Buzz Aldrin ScD ’63 und Neil Armstrong eine schlaflose Nacht hatten, wobei jedes Hin- und Herwippen pflichtbewusst auf den seismischen Spuren aufgezeichnet wurde.
MIT-Professor Gene Simmons gehörte zu der ersten Gruppe von Wissenschaftlern, die Zugang zu den Mondproben erhielten, sobald die NASA sie aus der Quarantäne entlassen hatte, und er und andere in der heutigen Abteilung für Erd-, Planeten- und Atmosphärenwissenschaften (EAPS) haben seither weiter an diesen Proben gearbeitet. Im Rahmen einer Konferenz auf dem Campus stellte er einige Proben von Mondgestein und -erde zum ersten Mal in der Öffentlichkeit aus, wo einige Leute vielleicht sogar die Gelegenheit hatten, die Proben zu berühren.
Auch andere in EAPS haben diese Apollo-Proben fast von Anfang an untersucht. Timothy Grove, der Robert R. Shrock Professor für Erd- und Planetenwissenschaften, begann 1971 als Doktorand an der Harvard University mit der Untersuchung der Apollo-Proben und forscht seitdem an ihnen. Grove sagt, dass diese Proben zu wichtigen neuen Erkenntnissen über die Prozesse der Planetenbildung geführt haben, die uns geholfen haben, die Erde und auch andere Planeten besser zu verstehen.
Neben anderen Erkenntnissen zeigten die Gesteine, dass die Verhältnisse der Isotope von Sauerstoff und anderen Elementen in den Mondgesteinen identisch mit denen in irdischen Gesteinen waren, aber völlig anders als die von irgendwelchen Meteoriten, was beweist, dass die Erde und der Mond einen gemeinsamen Ursprung hatten und zu der Hypothese führte, dass der Mond durch einen riesigen Einschlag von einem planetengroßen Körper entstanden ist. Die Felsen zeigten auch, dass die gesamte Oberfläche des Mondes wahrscheinlich einmal geschmolzen war. Die Vorstellung, dass ein planetarer Körper von einem Ozean aus Magma bedeckt sein könnte, war eine große Überraschung für die Geologen, sagt Grove.
Viele Rätsel bleiben bis heute, und die Analyse der Gesteins- und Bodenproben geht weiter. „Es gibt immer noch eine Menge aufregender Dinge“, die in diesen Proben gefunden werden, sagt Grove.
Die Fakten aussortieren
In der Flut von Publicity und neuen Büchern, Artikeln und Programmen über Apollo wurden zwangsläufig einige der Fakten – einige trivial, einige substantiell – durcheinandergeworfen. „Es werden einige Mythen verbreitet“, sagt Tylko, von denen er einige in seinem Kurs „Engineering Apollo“ anspricht. „Die Leute neigen dazu, viele Aspekte der Mission zu stark zu vereinfachen“, sagt er.
Zum Beispiel haben viele Berichte die Abfolge von Alarmen beschrieben, die während der letzten vier Minuten der Mission vom Steuerungscomputer kamen und die Missionskontrolleure zwangen, die gewagte Entscheidung zu treffen, trotz der unbekannten Natur des Problems weiterzumachen. Aber Don Eyles, einer der Programmierer des Instrumentation Labs, der die Lande-Software für den AGC geschrieben hatte, sagt, dass er sich an keinen einzigen Bericht erinnern kann, den er über diese Abfolge von Ereignissen gelesen hat, der sie völlig richtig wiedergibt. Laut Eyles haben viele behauptet, dass das Problem dadurch verursacht wurde, dass der Schalter für das Rendezvous-Radar eingeschaltet blieb, so dass seine Daten den Computer überlasteten und einen Neustart verursachten.
Aber Eyles sagt, dass der tatsächliche Grund eine viel komplexere Abfolge von Ereignissen war, einschließlich einer entscheidenden Fehlanpassung zwischen zwei Schaltkreisen, die nur unter seltenen Umständen auftrat und daher in Tests schwer zu erkennen gewesen wäre, und einer wahrscheinlich in letzter Minute getroffenen Entscheidung, einen wichtigen Schalter in eine Position zu bringen, die dies ermöglichte. Eyles hat diese Details in seinen Memoiren über die Apollo-Jahre und in einer technischen Abhandlung, die online verfügbar ist, beschrieben, aber er sagt, es sei schwierig, sie einfach zusammenzufassen. Aber er glaubt, dass der Autor Norman Mailer dem am nächsten gekommen ist, indem er die Essenz in seinem Buch „Of a Fire on the Moon“ (Von einem Feuer auf dem Mond) festgehalten hat, wo er das Problem als durch eine „heimliche Schaltung“ und einen „nicht erkennbaren“ Fehler in der Onboard-Checkliste verursacht beschreibt.
Einige Berichte haben den AGC als einen sehr begrenzten und primitiven Computer beschrieben, verglichen mit dem durchschnittlichen Smartphone von heute, und Tylko räumt ein, dass er einen winzigen Bruchteil der Leistung heutiger intelligenter Geräte hatte – aber, so sagt er, „das bedeutet nicht, dass sie unausgereift waren.“ Obwohl der AGC nur etwa 36 Kilobyte Festwertspeicher und 2 Kilobyte Arbeitsspeicher hatte, „war er außerordentlich ausgeklügelt und hat die damals verfügbaren Ressourcen optimal genutzt“, sagt er.
In mancher Hinsicht war er seiner Zeit sogar voraus, sagt Tylko. Zum Beispiel verwendete die von Laning zusammen mit Ramon Alonso am Instrumentation Lab entwickelte Compiler-Sprache eine Architektur, die seiner Meinung nach relativ intuitiv und einfach zu bedienen war. Basierend auf einem System von „Verben“ (auszuführende Aktionen) und „Substantiven“ (zu bearbeitende Daten), „hätte es wahrscheinlich seinen Weg in die Architektur von PCs finden können“, sagt er. „Es ist eine elegante Schnittstelle, die auf der Art und Weise basiert, wie Menschen denken.“
Einige Berichte gehen so weit zu behaupten, dass der Computer während des Abstiegs versagte und Astronaut Neil Armstrong die Steuerung übernehmen und manuell landen musste, aber tatsächlich war eine teilweise manuelle Steuerung immer Teil des Plans, und der Computer behielt während der gesamten Mission die ultimative Kontrolle. Keiner der Bordcomputer hatte während des gesamten Apollo-Programms jemals eine Fehlfunktion, so Astronaut David Scott SM ’62, der den Computer bei zwei Apollo-Missionen einsetzte: „Wir hatten nie einen Ausfall, und ich denke, das ist eine bemerkenswerte Leistung.“
Hinter den Kulissen
Auf dem Höhepunkt des Programms arbeiteten laut Draper, dem Nachfolger des Instrumentation Labs, das 1973 aus dem MIT ausgegliedert wurde, insgesamt etwa 1.700 Personen am MIT Instrumentation Lab an der Software und Hardware des Apollo-Programms. Einige von ihnen, wie der fast schon legendäre „Doc“ Draper selbst – Charles Stark Draper ’26, SM ’28, ScD ’38, ehemaliger Leiter des Department of Aeronautics and Astronautics (AeroAstro) – sind für ihre Rolle in der Mission weithin bekannt geworden, aber die meisten taten ihre Arbeit nahezu anonym, und viele gingen nach dem Ende des Apollo-Programms einer ganz anderen Arbeit nach.
Margaret Hamilton, die die Software-Engineering-Abteilung des Instrumentation Labs leitete, war außerhalb des Programms selbst wenig bekannt, bis ein ikonisches Foto von ihr neben den originalen Stapeln des AGC-Codes Mitte der 2010er Jahre in den sozialen Medien die Runde machte. Als sie 2016 von Präsident Barack Obama mit der Presidential Medal of Freedom ausgezeichnet wurde, sagte MIT-Professor Jaime Peraire, der damalige Leiter von AeroAstro, über Hamilton: „Sie war eine wahre Pionierin der Softwaretechnik, und es ist nicht übertrieben zu sagen, dass sie und die von ihr geleitete Software Engineering Division des Instrumentation Lab uns auf den Mond gebracht haben.“ Nach Apollo gründete Hamilton eine Software-Service-Firma, die sie immer noch leitet.
Viele andere, die eine wichtige Rolle in dieser Software- und Hardware-Entwicklung spielten, haben im Laufe der Jahre ebenfalls wenig Anerkennung erfahren. Zum Beispiel Hal Laning ’40, PhD ’47, der die Programmiersprache für den AGC entwickelte, entwarf auch dessen ausführendes Betriebssystem, das eine damals neue Art der Handhabung mehrerer Programme auf einmal verwendete, indem es jedem eine Prioritätsstufe zuwies, so dass die wichtigsten Aufgaben, wie die Steuerung der Schubdüsen der Mondlandefähre, immer erledigt wurden. „Hal war die brillanteste Person, mit der wir je zusammenarbeiten durften“, sagte der Ingenieur Dan Lickly vom Instrumentation Lab gegenüber MIT Technology Review. Und dieses prioritätsgesteuerte Betriebssystem erwies sich als entscheidend dafür, dass die Landung von Apollo 11 trotz der 1202 Alarme, die während des Mondabstiegs ausgelöst wurden, sicher ablaufen konnte.
Während die Mehrheit des Teams, das an dem Projekt arbeitete, männlich war, erinnert sich die Software-Ingenieurin Dana Densmore daran, dass das MIT-Labor im Vergleich zu der stark von Männern dominierten Belegschaft der NASA zu dieser Zeit relativ offen für Frauen war. Densmore, die für die Steuerung der Mondlandungssoftware zuständig war, erzählte dem Wall Street Journal, dass „die NASA ein paar Frauen hatte, und sie hielten sie versteckt. Im Labor war das ganz anders“, und es gab dort Möglichkeiten für Frauen, wichtige Rollen im Projekt zu übernehmen.
Hamilton erinnert sich an die Atmosphäre im Instrumentation Lab in jenen Tagen als eine von echtem Engagement und Meritokratie. Sie sagte 2009 gegenüber MIT News: „Lösungen und neue Ideen zu finden, war ein Abenteuer. Hingabe und Engagement waren eine Selbstverständlichkeit. Gegenseitiger Respekt war allgegenwärtig. Weil Software ein Mysterium war, eine Blackbox, gab uns das obere Management völlige Freiheit und Vertrauen. Wir mussten einen Weg finden, und das taten wir auch. Rückblickend waren wir die glücklichsten Menschen der Welt; es gab keine andere Wahl, als Pioniere zu sein.“