Die DART-Mission der NASA zielt darauf ab, die Welt zu retten

Wenn das James-Webb-Weltraumteleskop funktionieren sollte – so weit und so weit in die Vergangenheit blicken, dass es die ersten Galaxien sehen konnte, die nach dem Urknall entstanden –, müsste es Objekte fotografieren, die so schwach sind, dass sie sich kaum von der Kälte abheben Sie. Die Welt wird bereits nächste Woche feststellen, wie gut das Observatorium funktioniert, wenn das JWST voraussichtlich seinen ersten Satz wissenschaftlicher Bilder und spektroskopischer Daten veröffentlichen wird.

Nehmen wir also der Argumentation halber an, dass alle bisherigen Anzeichen tatsächlich auf einen erfolgreichen Start in die (lange und vollgepackte) Phase der wissenschaftlichen Datenerhebung der Webb-Mission hindeuten. Wie haben es die Ingenieure und Konstrukteure dieses riesigen Teleskops dann geschafft, das Teleskop ausreichend zu kühlen – alles in einer Entfernung, die viermal so groß ist wie die Entfernung von der Erde zum Mond –, um möglicherweise seine Aufgabe zu erfüllen?

Nach mehr als 25 Jahren Arbeit und unzähligen technologischen Hürden startete das Webb-Team sein riesiges Observatorium und brachte es in eine heliozentrische Umlaufbahn – wobei seine Instrumente auf weniger als 40 Grad Kelvin (-233 Grad Celsius) gebracht wurden, kühl genug, um das frühe Universum zu sehen mehr als seit 13,5 Milliarden Jahren. Bemerkenswerterweise wurde der größte Teil der Kühlung passiv durchgeführt, indem das Teleskop vor der Sonne abgeschirmt und die Physik den Rest erledigte.

„Webb ist nicht nur das Produkt einer Gruppe von Leuten. Es ist nicht nur das Produkt einiger sehr kluger Astronomen“, sagt Keith Parrish, Webb-Teamleiter am Goddard Space Flight Center der NASA in Maryland. „Insgesamt ist Webb wirklich das Ergebnis unser gesamtes Wissen, wie man komplexe Maschinen baut.”

Parrish trat dem Projekt 1997 bei und wurde schließlich im Laufe der Jahre des Designs, der Montage, des Testens und der Verzögerungen Inbetriebnahmeleiter und startete es schließlich am 25. Dezember 2021. Fast alles sagt darüber aus – seine Form, sein Standort und die hergestellten Materialien – wird durch die Notwendigkeit eines Observatoriums diktiert, das jahrelang bei extrem kalter Hitze überleben kann.

Ein Bild eines Reinraums mit fünf übereinander gestapelten riesigen folienartigen Platten, während drei Wissenschaftler in der Ferne die Sonnenblenden prüfenAuf diesem Foto wird die fünfschichtige JWST-Sonnenblende geöffnet und in einem Reinraum inspiziert. Die beschichteten Kapton E-Schichten berühren sich nie, was die Wärmeübertragung von einer Schicht zur nächsten verringert. Alex Evers/Northrop Grumman

Webb ist aus vielen Gründen ein Infrarot-Observatorium, nicht zuletzt, weil sich die Wellenlänge des Lichts von entfernten Objekten mit der Ausdehnung des Universums verlängert, was eine große Rotverschiebung verursacht. Infrarot ist auch nützlich, um durch kosmischen Staub und Gas zu sehen und um kalte Objekte wie Kometen, Objekte im Kuipergürtel und möglicherweise Planeten, die andere Sterne umkreisen, abzubilden.

Aber Infrarot wird am besten als Wärme gemessen, weshalb es für Webb wichtig ist, extrem kalt zu sein. Wenn es sich wie das Hubble-Teleskop in einer niedrigen Erdumlaufbahn befände und keinen Schutz vor der Sonne hätte, würden die meisten seiner Ziele von der Sonne, der Erde und der Hitze im Teleskop selbst versenkt.

„Wenn mein Signal Wärme ist – und Infrarot Wärme ist –, was ich nicht bekommen kann, sind andere Wärmequellen, die Systemrauschen sind“, sagt Jim Flynn, Direktor der Sonnenblende bei Northrop Grumman, dem Hauptauftragnehmer von Webb.

Also wurde Webb geschickt, um einen Punkt im Weltraum namens L2 zu umrunden, 1,5 Millionen Kilometer entfernt, gegenüber der Sonne, einem der Orte, die als Lagrange-Punkte bekannt sind. An diesen “L”-Punkten verschwören sich die Schwerkraft der Erde und der Sonne perfekt, um sie in einer relativ stabilen und “festen” Umlaufbahn in Bezug auf die Erde zu halten, während sie sich auf ihrer 365.256-tägigen Umlaufbahn um die Sonne bewegt. Es ist ein guter Kompromiss: Die Erde ist weit genug entfernt, dass sie die Beobachtungen nicht stört, aber nah genug, dass die Kommunikation mit dem Raumschiff relativ schnell sein kann. Da das Schiff nicht von Tag zu Nacht fliegt und in jeder Umlaufbahn zurückkehrt, ist seine Temperatur relativ stabil. Alles, was Sie brauchen, ist ein wirklich guter Regenschirm.

„vier [layers of sunshield] Vielleicht hat er den Job gemacht. Five gab uns eine kleine Versicherungspolice. Ich würde sagen, es war komplizierter als das, aber das war es überhaupt nicht.”
– Keith Parrish, NASA Goddard Space Flight Center

„Die Technik wurde noch weiter vorangetrieben, um wissenschaftliche Ziele zu erreichen“, sagt Alexandra Lockwood, Projektwissenschaftlerin am Space Telescope Science Institute, die Webb leitet. “Es wurde speziell so entworfen, wie er es wollte, weil sie intensive Infrarot-Wissenschaft betreiben wollten.”

Es ist für ein unauffällig aussehendes Schiff in vielen Designs gemacht, mit der Teleskopanordnung, die absichtlich zum Weltraum hin offen ist, um einen Wärmestau zu verhindern, befestigt an der silbernen Sonnenhaube, etwa 14 Meter breit und 21 Meter lang, mit fünf Schichten Isolierfolie um das Teleskop in völliger Dunkelheit zu halten. Ungefähr.

Von seiner sonnenbeschienenen Seite ähnelt die Sonnenblende fast einem Drachen. Die Ingenieure stellten fest, dass die längliche Form der effektivste Weg wäre, Webbs Optik von der Sonne fernzuhalten. Sie wurden als quadratisch oder achteckig betrachtet, aber die endgültige Version deckt eine größere Fläche ohne viel mehr Masse ab.

„Er ist nicht größer, als er sein muss, um den Anforderungen eines wissenschaftlichen Sichtfelds gerecht zu werden, und diese einzigartige Form des Drachens ist das Ergebnis“, sagt Parrish. „Alles, was größer ist als jetzt, macht alles komplizierter.“

Die fünf Schichten der Abschirmung bestehen aus Kapton E, einer Kunststofffolie, die erstmals in den 1960er Jahren von DuPont entwickelt und zur Isolierung von Raumfahrzeugen und gedruckten Schaltungen verwendet wurde. Die Schichten sind aluminium- und silikonbeschichtet. Jedes ist dünner als ein menschliches Haar. Aber die Ingenieure sagen, dass sie zusammen sehr effektiv darin sind, die Hitze der Sonne abzuhalten. Die erste Schicht reduziert ihre Festigkeit um etwa eine Größenordnung (oder 90 Prozent), die zweite Schicht entfernt eine weitere Größenordnung und so weiter. Die Schichten berühren sich nie und glühen leicht, wenn man sich von der Mitte des Schildes entfernt, so dass Wärme an den Seiten entweicht.

Das Ergebnis: Die Temperaturen auf der Sonnenseite des Schildes liegen bei knapp 360 K (87 °C), auf der Dunkelseite hingegen unter 40 K (-233 °C). Oder anders gesagt: Über 200 Kilowatt Sonnenenergie fallen auf die erste Schicht, aber nur 23 Milliwatt schaffen es bis zur fünften Schicht.

Warum fünf Schichten? Es gab viele Computermodelle, aber es war schwierig, das thermische Verhalten des Schildes vor dem Flug zu simulieren. “Vielleicht haben vier den Job gemacht. Fünf haben uns eine Art Versicherungspolice gegeben”, sagt Parrish. „Ich würde sagen, es war viel komplizierter als das, aber das war es überhaupt nicht.“

Ein großer Fortschritt war die Möglichkeit, das Teleskop natürlich zu kühlen, was erstmals in den 1980er Jahren als möglich errechnet wurde. Dies bedeutete, dass Webb sich nicht auf ein schweres, komplexes Kühlgerät mit Kältemittel verlassen musste, das auslaufen und die Arbeit verkürzen könnte. Von seinen vier wichtigsten wissenschaftlichen Instrumenten muss nur eines, ein Infrarotdetektor namens MIRI, auf 6,7 K gekühlt werden, gekühlt durch einen mehrstufigen Gefrierkühler, der kaltes Heliumgas durch Pulsröhren pumpt, um Wärme vom Sensor des Instruments abzuziehen. Es nutzt den Joule-Thomson-Effekt, der die Temperatur von Helium senkt, indem es sich ausdehnt, nachdem es durch ein 1-mm-Ventil gedrückt wurde. Der Druck kommt von zwei Kolben – den einzigen beweglichen Teilen im Kältemittelsystem – die in entgegengesetzte Richtungen weisen, sodass sich ihre Bewegungen gegenseitig aufheben und die Rückkopplung nicht stören.

Der Bau des Teleskops erwies sich als recht komplex; Es rutschte Jahre ab, während sein Budget auf 10 Milliarden Dollar anschwoll. Das Visier musste nach dem Testen langwierig überarbeitet werden, als das Kapton riss und sich die Befestigungselemente lösten.

“Wir sind ein bisschen mehr davongekommen, als wir kauen können”, sagt Parrish jetzt. “Genau das muss die NASA tun. Sie muss an die Grenzen gehen. Das Problem ist, dass Webb endlich zu groß wird, um zu scheitern.”

Aber es wurde schließlich eingesetzt, sendete Daten und überraschte Ingenieure, die zumindest einige Ausfälle erwartet hatten, als es losging. Keith Parrish, seine abgeschlossene Arbeit, geht zu anderen Projekten bei Goddard über.

„Ich denke, Webb ist einfach ein wunderbares Produkt dessen, was es bedeutet, eine fortgeschrittene Zivilisation zu sein“, sagt er.

Aktualisierung: 26. Juli 2022: Die Geschichte wurde aktualisiert, um zu zeigen, dass sich die Schwerkraft am L2-Lagrange-Punkt nicht „aufhebt“ (wie die zuvor erwähnte Geschichte), sondern sich tatsächlich summiert, um ein Objekt in der L2-Umlaufbahn in genau derselben Umlaufzeit wie in diesem Fall die Erde zu halten – also 365.256 Tage.

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William

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