Sextant

Sextant, optisches Präzisionsinstrument in der Navigation, um den Abstand zwischen dem sichtbaren waagerechten Horizont auf See (Kimm) und dem eines Gestirns zu messen. Dieser Winkelabstand ermöglicht zusammen mit den alljährlich neu berechneten Positionsangaben von ausgewählten Gestirnen eine genaue Ortsbestimmung. Die Positionsangaben sind beispielsweise in dem vom Deutschen Hydrographischen Institut in Hamburg herausgegebenen „Nautischen Jahrbuch” (Ephemeriden) veröffentlicht. Die exakte geographische Positionsberechnung nach Breite und Länge lässt sich dann mit Hilfe der Kugelgeometrie (Semiversusverfahren) oder darauf beruhender Tafelwerke (Nautische Tafeln) ermitteln. Voraussetzung ist dabei, dass der Zeitpunkt der Messung bezogen auf die Zeit an dem durch Greenwich (London) verlaufenden Nullmeridian (UTC) sekundengenau festgehalten wird.

Der Sextant, der um 1730 entwickelt wurde, erfasst einen Messbereich von etwa 60 Grad, also einem Sechstel des Vollkreises von 360 Grad. Vergleichbare astronomische Abstandsmessgeräte sind der Oktant mit einem Messbereich von 45 Grad oder der seltenere Quadrant mit einem Bereich von 90 Grad oder die Quintanten mit 72 Grad. Früher Vorläufer des Sextanten ist der „Jakobsstab”. Dieser „Gradstock” bestand aus einem horizontalen Beobachtungsstab, über dessen hinterem Ende ein Gestirn angepeilt wurde. Die dabei beobachtete Höhe konnte dann an einer Messskala abgelesen werden, die auf einem vertikal zum Peilstab angebrachten Messstab einmarkiert war.

Das Funktionsprinzip des Sextanten wie des Oktanten und der anderen vergleichbaren optischen Messgeräte beruht zunächst auf der Tatsache, dass Ein- und Ausfallswinkel eines Lichtstrahles auf einem ebenen Spiegel jeweils gleich groß sind. Dieses physikalische Gesetz wird beim Sextanten angewandt, indem ein Objekt direkt angepeilt und gleichzeitig über ein aus zwei Spiegeln bestehendes System indirekt anvisiert wird. Sind beide Bilder in Deckung, so verlaufen die direkt einfallenden und die reflektierten Strahlen parallel zueinander. Werden stattdessen zwei Objekte wie etwa die Kimm als Horizont und die Sonne gleichzeitig angepeilt, so sieht der Beobachter im Sextanten zunächst zwei verschiedene Bilder. Bringt er diese zur Deckung, so hat er den Höhenabstand des Gestirns von der Kimm in Grad gemessen ermittelt.

Ein Sextant besteht aus einem dreieckigen, etwa 60 Grad umfassenden metallenen (z. B. Messing oder Leichtmetall) Instrumentenkörper, der aus Gewichtsgründen durchbrochen ist und auf der Rückseite einen Handgriff hat (nur für Übungszwecke gibt es auch preisgünstige Plastiksextanten). Auf ihm sind an der Rückkante ein einfaches galileisches Fernrohr oder Teleskop (T) mit zwei- bis vierfacher Vergrößerung angebracht, das horizontal direkt auf den Horizont, die Kimm, zielt. Der Blick des Beobachters geht dabei durch den fest angebrachten „kleinen Spiegel” (A), dessen eine (meist linke) Hälfte offen, dessen andere jedoch verspiegelt ist und die Sicht zum „großen Spiegel” (B) umlenkt. Er befindet sich am oberen Dreieckspunkt des Sextanten im Zentrum einer drehbaren Ebene. In ihrem Mittelpunkt ist ein beweglicher Arm angebracht, die Alhidade, die sich mit dem Spiegel über dem Gradbogen des Sextanten, dem Limbus, mit der Gradeinteilung bewegen lässt. Der Beobachter kann so zwei Objekte, nämlich die Kimm und ein Gestirn wie die Sonne, einen Planeten, den Mond oder einen Fixstern gleichzeitig im Teleskop sehen: Er betrachtet den Horizont (H) durch den durchsichtigen Teil des „kleinen Spiegels” (A) und über dessen verspiegelten Teil, der zum „großen Spiegel” (B) führt, den für die Beobachtung ausgewählten Himmelskörper. Wird der „große Spiegel” (B) mit Hilfe der Alhidade, in deren Achse er steht, so bewegt, dass sich das Bild des Gestirns mit dem Horizont deckt, so kann der Winkelabstand auf dem Gradbogen (Limbus) abgelesen werden. Sind Kimm und das Bild des Gestirns auf Deckung, bedeutet dies für den Nautiker: „Die Sonne oder das Gestirn küsst die Kimm.”

Da auf dem Limbus nur Gradeinteilungen eingraviert sind, muss die Messung für einen brauchbaren Schiffsort verfeinert werden. Sie erfolgt mit Hilfe einer an der Alhidade unterhalb des Limbus angebrachten Trommel- oder Mikroschraube, deren Skala – dem Nonius einer Schublehre vergleichbar – in Winkelminuten unterteilt ist. Zusätzlich ermöglichen den beiden Spiegeln vorgeschaltete aus- und einklappbare gefärbte Gläser, dass ein Navigator, der eine Position z. B. über die „Mittagsbreite des Schiffsortes” mit der Sonne bestimmen will, nicht geblendet wird.

Obwohl der Sextant – analog der nach anderen Kreisausschnitten benannten optischen Messgeräte – nach einem Sechstel des 360 Grad umfassenden Vollkreises benannt ist, umfasst die Skala auf dem Limbus zumindest das Doppelte dieser 60 Grad, nämlich etwas über 120 Grad. Aufgrund der optischen Umlenkung über zwei Spiegel ist der über sie beobachtete Wert genau doppelt so hoch, wie er tatsächlich ist. Bei der Limbus-Gradeinteilung ist dies berücksichtigt, und die tatsächliche Höhe des Gestirns kann direkt auf ihm abgelesen werden.

Nicht nur in der astronomischen, sondern auch in der terrestrischen Navigation, der Positionsbestimmung anhand von Landmarken wie etwa der eines Leuchtturmes, ergibt eine Sextantmessung die Standlinie eines Schiffsortes: Ist die Höhe eines Objekts über Normalnull bekannt, wie sie den Leuchtfeuerverzeichnissen oder den Seehandbüchern entnommen werden kann, erhält man durch die Horizontmessung aus dem Fußpunkt des Objekts (an der Wasserlinie) und dessen Spitze nach der Formel

Abstand = 13/7 × Höhe in Meter/Winkelminuten

den Abstand in Seemeilen (1,852 Kilometer).

Für die Positionsbestimmung bei Flugzeugen, insbesondere auf Langstreckenflügen, war der vierte Mann im Cockpit, der Navigator, verantwortlich. Seine Funktion entfiel mit der Entwicklung von elektronischen Navigationsinstrumenten, die jederzeit den tatsächlichen, den „wahren Ort” des Flugzeuges anzeigen. Auf Funkfrequenzen arbeitende Systeme wie Radar, Loran oder Omega und heute das Global Positioning System (GPS) haben den Navigator an Bord von Flugzeugen überflüssig gemacht. Vor diesen technischen Innovationen war der Sextant für die Ortsbestimmung im Flugzeug notwendig. Zusätzlich zu seinem Spiegelsystem wurde er um ein Periskop erweitert, dessen Eingang außerhalb der Flugzeugzelle angebracht und das mit einem „künstlichen Horizont” versehen war. Der künstliche Horizont konnte mit einer von der Wasserwaage her bekannten Libelle oder mit einer Quecksilberschicht erzeugt werden. Auf dieser Ebene wurden das direkt und das indirekt eingespiegelte Bild miteinander zur Deckung gebracht. Aus dem so gemessenen Winkelabstand zum Gestirn wurde der Ort des Flugzeuges ermittelt.