Das James-Webb-Weltraumteleskop

Mit dem Start des James Webb Space Telescope (JWST) wird das Verständnis der Menschheit vom Universum – und seinen Ursprüngen – exponentiell zunehmen.

Ursprünglich als Next Generation Space Telescope (NGST) bezeichnet und im September 2002 zu Ehren des ehemaligen NASA-Administrators James Webb umbenannt, stellt das JWST eine internationale Zusammenarbeit von Partnern dar, darunter die NASA, die kanadische Weltraumorganisation (CSA), die Europäische Weltraumorganisation (ESA), Luft- und Raumfahrthersteller Northrop Grumman und das Space Telescope Space Institute, das das Teleskop nach seinem Start betreiben wird.

Infrarottechnologie

Was unterscheidet das JWST von den weltraumgestützten Teleskopen vor ihm, wie dem geschichtsträchtigen Hubble-Weltraumteleskop? Zum einen ist Hubble, das 1990 gestartet wurde, ein optisches Teleskop; das JWST ist ein Infrarotteleskop. Wenn Lichtwellen durch das sich ständig ausdehnende Universum reisen, werden sie „gestreckt“, was bedeutet, dass sie sich zu längeren, röteren Energiewellenlängen verschieben. Irgendwann verschiebt sich das einst sichtbare Licht der entferntesten Sterne im Universum in Infrarotwellenlängen, die von optischen Teleskopen wie Hubble nicht mehr erfasst werden können. Das JWST wurde speziell entwickelt, um Bilder dieser Infrarotlichtwellen aufzunehmen und sie mit modernster Spektroskopie zu analysieren.

Das JWST wird nicht das erste Mal sein, dass Wissenschaftler die Infrarottechnologie zur Erforschung des Universums einsetzen. 1983 brachte die NASA ihren bahnbrechenden Infrared Astronomical Satellite (IRAS) in die Umlaufbahn und war damit das weltweit erste weltraumgestützte Infrarotteleskop. Als gemeinsames Projekt der USA, der Niederlande und des Vereinigten Königreichs umkreiste es 559 Meilen über der Erde in einer Mission, die 10 Monate dauerte und über 250.000 Infrarotquellen in den Wellenlängen 12, 25, 60 und 100 Mikrometer beobachtete. Der Erfolg dieser Mission führte 1985 zur Installation eines heliumgekühlten Infrarotteleskops an Bord des Space Shuttle Challenger (STS-51) und führte schließlich zur Entwicklung des Spitzer-Weltraumteleskops, das 2003 gestartet wurde.

Zwischen diesen Meilensteinen startete die Europäische Weltraumorganisation in Zusammenarbeit mit der NASA und dem japanischen Institute of Space and Astronautical Science (ISAS) im November 1995 das Infrared Space Observatory (ISO) für eine dreijährige Mission zur Beobachtung von etwa 30.000 Infrarotquellen. Bildgebung im Bereich von 2,5 bis 240 Mikrometer und Spektroskopie im Bereich von 2,5 bis 196,8 Mikrometer durchführen und die Daten in Echtzeit zurück zur Erde übertragen. Und 1997 verlieh die NASA dem optischen Hubble-Teleskop Infrarotfähigkeit, indem sie es während der Wartungsmission 2 (STS-82) mit der Nahinfrarotkamera und dem Multi-Objekt-Spektrometer (NICMOS) ausstattete.

NICMOS, ein kombiniertes Bildgebungsgerät und Spektrometer, das von Ball Aerospace &Technologies Corp. entwickelt und gebaut wurde, verfügte über drei Quecksilber-Cadmium-Tellurid-Nahinfrarotdetektoren, die auf Saphirsubstrate geklebt und für den Betrieb im Wellenlängenbereich von 0,8 bis 2,5 Mikrometer ausgelegt waren. Das NICMOS, das von 1997 bis 1999 in Betrieb war, bevor ihm das Kühlmittel ausging, und dann erneut von 2002 bis 2008 nach der Installation eines neuen kryogenen Kühlsystems während der Wartungsmission 3B (STS-109), wurde schließlich 2009 durch das Wide Field ersetzt Kamera 3 (WFC3) während der Wartungsmission 4 (STS-125). Obwohl es sich nicht ausschließlich um ein Infrarotinstrument handelte – es hatte auch einen UV- und einen optischen Kanal, der Bilder im Wellenlängenbereich von 200 bis 1000 nm aufzeichnen konnte – verfügte der WFC3 über einen Nahinfrarotdetektor, der für die Aufnahme von Bildern im Wellenlängenbereich von 800 bis 1700 nm ausgelegt war. Obwohl die Infrarotfähigkeit im Vergleich zu NICMOS (1700 nm gegenüber 2500 nm) begrenzt ist, könnte der WFC3 thermoelektrisch gekühlt werden, wodurch die Notwendigkeit einer kryogenen Kühlung entfällt.

Der Spiegel

Als wohl technologisch fortschrittlichstes wissenschaftliches Instrument, das jemals in den Weltraum gebracht wurde, wird das JWST nicht nur die besten Aspekte der Weltraumteleskope Hubble und Spitzer vereinen, es wird sie weit übertreffen, beginnend mit der Größe seines Hauptspiegels. Webbs Spiegel wird im Vergleich zu Hubbles 2,4-Meter-Spiegel und Spitzers kompaktem 0,8-Meter-Spiegel einen Durchmesser von 6,5 Metern haben.

Da ein Spiegel dieser Größe zu groß ist, um in eine aktuelle Trägerrakete zu passen, besteht er aus 18 einzelnen sechseckig geformten Segmenten aus leichtem Beryllium, die sich entfalten und sich automatisch an ihre Form anpassen, sobald sie sich im Orbit befinden. Jedes Segment wird durch Vakuumdampfabscheidung mit einer dünnen Goldschicht von nur 1000 Angström (100 Nanometer) Dicke beschichtet. Um das ins rechte Licht zu rücken, angesichts der Dichte von Gold bei Raumtemperatur (19,3 g/cm ³ ), das ergibt 48,25 g Gold – ungefähr die gleiche Masse wie ein Golfball – um eine Oberfläche von 25 m ² zu beschichten . Warum Gold? Hervorragendes Reflexionsvermögen. Gold reflektiert 98 % des gesammelten Infrarotlichts, während ein Material wie Aluminium typischerweise nur etwa 85 % des sichtbaren Lichts reflektiert.

Der JWST soll den Punkt L2 umkreisen, der 1,5 Millionen Kilometer über der Erde liegt. Je weiter ein Teleskop von der Erdatmosphäre entfernt ist, desto weniger Elemente gibt es, die die Qualität der gesammelten Daten negativ beeinflussen. Es wird auch weit genug vom schützenden Magnetfeld der Erde entfernt sein, wo hochenergetische kosmische Strahlen seine Signale stören oder elektrische Ladungen erzeugen könnten, die möglicherweise die empfindlichen Instrumente des Teleskops beschädigen könnten. Als zusätzliche Versicherung wurde das JWST mit speziellen Abschirmungs- und leitfähigen Materialien entwickelt, um zu verhindern, dass sich Spannung ansammelt und die Sonnenblenden und Subsysteme des Fahrzeugs beschädigt. Das Teleskop macht alle 198 Tage eine komplette Umlaufbahn um L2 ... falls Sie danach Ausschau halten wollen.

Der Sonnenschutz

Die Sonnenblende des Teleskops, die ungefähr die Größe eines Tennisplatzes hat (21,197 m × 14,162 m), ist mit Abstand das größte Element des JWST. Der Sonnenschutz besteht aus fünf Schichten silikonbeschichtetem Du-Pont™ Kapton® mit einer Dicke von jeweils weniger als 1 mm. Der Hauptzweck des Sonnenschutzes besteht darin, die kalte Seite des Teleskops, auf der die Instrumente untergebracht sind, von der der Sonne zugewandten Seite zu trennen. Die maximale Temperatur, der Schicht 1 standhalten kann, beträgt 383 K (~231 °F), während Schicht 5 einer maximalen Temperatur von 221 K (~ -80 °F) und einer minimalen Temperatur von 36 K (~ -394 °F) standhalten kann. Da Infrarotdetektoren kühle Temperaturen bevorzugen und jegliche von den Bordsystemen des JWST erzeugte Wärme die gesammelten Infrarotsignale verunreinigen könnte, liegt die bevorzugte Betriebstemperatur des Teleskops unter 50 K (~ -370 °F).

Angesichts der Größe der Sonnenblende und der dünnen Materialien bestand eine der technischen Herausforderungen für die Designer darin, sie stark genug zu machen, um den Strapazen der Raumfahrt standzuhalten. Erreicht haben sie das durch ein ausgeklügeltes System aus Stützrippen, das für die nötige strukturelle Stabilität sorgt, ohne spröde zu werden. Das System toleriert auch kleine Risse, die durch Weltraumschrott verursacht werden, ohne zu versagen.

Technisch lässt sich das JWST in drei Abschnitte unterteilen:das Integrated Science Instrument Module (ISIM), das Optical Telescope Element und das Spacecraft Element.

Die Wissenschaftsinstrumente

Das ISIM enthält die vier wichtigsten wissenschaftlichen Instrumente des JWST:die Nahinfrarot-Kamera (NIRCam), den Nahinfrarot-Spektrographen (NIRSpec), das Mittelinfrarot-Instrument (MIRI) und den Feinführungssensor/Nahinfrarot-Imager und den schlitzlosen Spektrographen (FGS/NIRISS).

Die von der University of Arizona und Lockheed Martin gebaute Nahinfrarotkamera wird zwei wichtige Funktionen erfüllen. Die erste besteht darin, Bilder im Wellenlängenbereich von 600 nm bis 5000 nm mit einer Belichtungszeit von 10.000 Sekunden (ca. 2,8 Stunden) aufzunehmen. Es ist für den Betrieb bei 37 K (~ -393 °F) ausgelegt und wird das Licht beobachten und aufzeichnen, das von einigen der ersten Sterne und Galaxien erzeugt wird, die nach dem Urknall im Universum entstanden sind. Seine andere wichtige Funktion besteht darin, die Leistung der 18 Segmente des Hauptspiegels ständig zu überwachen und sicherzustellen, dass das Teleskop im Fokus bleibt.

Der von der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) beigesteuerte Nahinfrarot-Spektrograph ist insofern einzigartig, als er gleichzeitig bis zu 100 Objekte in einem Sichtfeld von 3 Bogenminuten × 3 Bogenminuten im Wellenlängenbereich von 600 nm bis 5000 nm analysieren kann. Möglich wird dies durch ein innovatives System aus vier Arrays programmierbarer Schlitzmasken mit etwa 250.000 Mikroverschlüssen, die jeweils nur 100 × 200 Mikrometer groß sind. Das NIRSpec verfügt über vier Betriebsmodi:Multi-Object Spectroscopy (MOS), Integral Field Unit (IFU) Mode, High-Contrast Slit Spectroscopy (SLIT) und Imaging Mode (IMA). Wie die Nahinfrarotkamera wird sie verwendet, um Licht zu analysieren, das von den Ursprüngen des Universums gesammelt wurde.

Das Mittelinfrarot-Instrument ist so konzipiert, dass es sowohl als Kamera als auch als Spektrograph fungiert und dort weitermacht, wo die Nahinfrarot-Instrumente aufhören, indem es Licht im Wellenlängenbereich von 5000 nm bis 28000 nm erfasst und analysiert. Der Schlüssel zu seiner Leistungsfähigkeit in diesem Bereich sind seine mit Arsen dotierten Siliziumdetektoren, auch bekannt als Focal Plane Modules (FPMs), die eine Auflösung von 1024 × 1024 Pixel haben. Das MIRI, das auf 7 K (~ -447 °F) kryogen gekühlt wird, enthält auch ein Spektrometer mit niedriger Auflösung, das mit Germaniummetall- und Zinksulfidprismen ausgestattet ist und Licht im Wellenlängenbereich von 5000 nm bis 12000 nm analysieren kann. Es ist auch mit Koronographen ausgestattet, was ihm die Möglichkeit gibt, Exoplaneten zu untersuchen.

Schließlich ist der von der Canadian Space Agency gebaute Fine Guidance Sensor/ Near Infrared Imager and Slitless Spectrograph für die Beobachtung von Licht im Wellenlängenbereich von 800 nm bis 5000 nm ausgelegt und erfüllt zwei Funktionen. Der Feinführungssensor liefert den Orientierungssinn des JWST und richtet ihn auf bestimmte Ziele. Der Near Infrared Imager and Slitless Spectrograph, der mit einem 2048 × 2048 Pixel Quecksilber-Cadmium-Array ausgestattet ist und ein Sichtfeld von 2,2 Fuß × 2,2 Fuß hat, wurde entwickelt, um Exoplaneten zu erkennen und zu analysieren.

Das Optical Telescope Element (OTE) ist, wie der Name schon sagt, die Augen des JWST. Laut NASA besteht es aus den 18 sechseckigen Segmenten, die den 6,5-Meter-Hauptspiegel bilden; der 0,74 Meter große kreisförmige Sekundärspiegel; die tertiären und feinen Steuerspiegel; die Rückwandbaugruppe des Primärspiegels und die Halterung der Hauptrückwandplatine, in der sich auch das Instrumentenmodul befindet; das Thermomanagement-Subsystem; achtern entfaltbarer ISIM-Kühler (ADIR); und das Wellenfront-Erfassungs- und Steuersystem des Raumfahrzeugs.

Die Subsysteme

Das letzte Puzzleteil ist das Spacecraft-Element, das aus der Sonnenblende und dem Spacecraft-Bus besteht. Der Spacecraft Bus, der aus Graphit-Verbundmaterial besteht, trägt nicht nur die gesamte Masse des Teleskops von 6500 kg, sondern beherbergt auch die sechs Hauptsubsysteme des JWST, nämlich das Stromversorgungs-Subsystem, das Lageregelungs-Subsystem, das Kommunikations-Subsystem, das Kommando und Datenverarbeitungs-Subsystem, Antriebs-Subsystem und Thermokontroll-Subsystem.

Die Hauptfunktion des Stromversorgungs-Subsystems besteht darin, die von den Solarmodulen gesammelte Energie in die von den anderen Subsystemen benötigte elektrische Energie umzuwandeln. Das Untersystem zur Lageregelung verwaltet die Ausrichtung und Stabilität des Teleskops im Orbit. Das Kommunikationssubsystem übernimmt die Übertragung von Daten und Befehlssignalen über das Deep Space Communication Network der NASA. Das Subsystem zur Befehls- und Datenverarbeitung enthält den Hauptcomputer und den Command Telemetry Processor (CTP) des JWST sowie das Datenspeichergerät Solid State Recorder (SSR). Das Antriebssubsystem besteht aus den Raketen und Treibstofftanks, die benötigt werden, um das Teleskop auszurichten und es in seiner richtigen Umlaufbahn zu halten. Und das Wärmeregelungs-Subsystem ist darauf ausgelegt, die vier entfaltbaren Kühlerblendenbaugruppen zu steuern und kritische Betriebstemperaturen an Bord des Raumfahrzeugs aufrechtzuerhalten.

Angesichts der außergewöhnlichen Menge und Qualität der von den Weltraumteleskopen Hubble und Spitzer gesammelten Daten ist die Vorfreude und Aufregung darüber, was wir vom JWST lernen könnten, verständlicherweise hoch. Die geplante Missionsdauer beträgt 5 bis 10 Jahre, und Wissenschaftler hoffen, in dieser Zeit nicht nur mehr über die Ursprünge und die Entstehung unseres Universums zu erfahren, sondern auch wertvolle Informationen über andere Mysterien wie Schwarze Löcher, Supernovae, Babygalaxien und ferne zu sammeln Planeten, die das Potenzial haben könnten, Leben zu unterstützen.

Unabhängig davon, was es entdeckt, wie das fiktive Raumschiff Enterprise in der beliebten Star Trek-Fernsehserie, wird uns das JWST die sehr reale Fähigkeit geben, wissenschaftlich zu gehen, „wo noch nie zuvor ein Mensch war“.

Dieser Artikel wurde von Bruce A. Bennett, Redakteur, Photonics &Imaging Technology, SAE Media Group (New York, NY) verfasst.

Quellen

• Iwanowa, Nelly. 2012. The James Webb Space
• Telescope Science Guide . Baltimore:Weltraum
• Telescope Science Institute (STScl).
• https://jwst.nasa.gov/
• https://www.nasa.gov/