Entwicklung und Validierung der Optik des römischen Weltraumteleskops Nancy Grace der NASA

Ein Optiker liegt auf einem Sprungbrett, das zwischen dem Primär- und Sekundärspiegel des Nancy Grace Roman Space Telescope der NASA hängt. Das Foto ist eine projizierte Reflexion durch den Strahlengang des Teleskops. Der Techniker richtet einen Lichtstrahl durch das optische System auf den zukünftigen Standort des Wide Field Instruments und zeigt, wie Licht von kosmischen Quellen nach dem Start der Mission durch das Teleskop wandern wird. (Bild:NASA/Chris Gunn)

Wenn es spätestens im Mai 2027 startet, wird das römische Weltraumteleskop Nancy Grace der National Aeronautics and Space Administration (NASA) als mächtiges Auge in den Weltraum dienen, Bilder von Milliarden entfernter Galaxien einfangen und die Geheimnisse der Dunklen Materie, Supernovae und anderer kosmischer Phänomene erforschen.

Das Hauptziel des Nancy Grace Roman Space Telescope besteht darin, große Bereiche des Himmels schnell und wiederholt mit hoher Präzision zu untersuchen, um die Verteilung normaler (baryonischer) Materie und dunkler Materie zu kartieren und die Geschwindigkeit der kosmischen Expansion in verschiedenen Epochen zu kartieren, um dunkle Energie zu untersuchen. Diese Informationen sind von entscheidender Bedeutung für unser Verständnis der Ursprünge des Universums und helfen Wissenschaftlern zu verstehen, was in der fernen Zukunft des schnell expandierenden Kosmos passieren wird. Darüber hinaus werden mithilfe großer Durchmusterungen Planetensysteme um andere Sterne untersucht, um herauszufinden, ob Sonnensysteme wie unseres häufig, selten oder vielleicht einzigartig sind.

Dieses Foto zeigt die optische Teleskopbaugruppe für das römische Weltraumteleskop Nancy Grace der NASA, die kürzlich in den größten Reinraum im Goddard Space Flight Center der Agentur in Greenbelt, Maryland, geliefert wurde. (Bild:NASA/Chris Gunn)

Ein wichtiger Programmmeilenstein wurde im November 2024 mit der Lieferung der vollständig fertiggestellten und getesteten Optical Telescope Assembly (OTA) von L3Harris an die NASA erreicht. Diese Hardware fungiert als „Auge“ des Observatoriums und sammelt und bereitet Licht aus dem Kosmos für die Verwendung durch die beiden Instrumente der Mission auf.

Als vertrauenswürdiger Partner der NASA wurde L3Harris mit dem Design, der Herstellung, der Integration und dem Test des OTA beauftragt. Dazu gehören ein Primärspiegel mit einem Durchmesser von 2,4 Metern (8 Fuß) sowie neun weitere kleinere Spiegel, robuste Strukturen zur Ausrichtung der Spiegel zueinander und zahlreiche Unterstützungssysteme, die erforderlich sind, damit das Teleskop in der rauen Umgebung des Weltraums funktionieren kann.

Von Beginn des Programms an wurde die OTA entwickelt, um den anspruchsvollen und einzigartigen Anforderungen der NASA und der Wissenschaftsgemeinschaft für diese Mission gerecht zu werden. Einer der Hauptschwerpunkte des Teleskopteams war die Entwicklung der notwendigen Technologien, um ein System bereitzustellen, das den extremen optischen Stabilitätsanforderungen der Mission gerecht werden kann. Dazu gehörte die Entwicklung eines neuen proprietären Kohlenstoffverbundmaterials mit niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTEs) als bisher – so niedrig, dass neue Techniken zur Messung seiner Eigenschaften entwickelt werden mussten. Aufgrund des extrem niedrigen CTE würde ein fußballfeldgroßes Stück dieses Materials seine Länge nur um 100 Mikrometer (die Breite eines menschlichen Haares) ändern, wenn sich seine Temperatur um 100 Grad Fahrenheit (55 Grad Celsius) ändert.

Dieses Foto zeigt das gesamte Optiksystem für das römische Weltraumteleskop Nancy Grace der NASA. Es besteht aus 10 Spiegeln, einschließlich der 7,9 Fuß (2,4 Meter) großen Primärspiegel, die in diesem Bild an der Basis zu sehen sind und als bildgebende optische Baugruppe (IOA) bezeichnet werden. (Bild:NASA/Chris Gunn)

Auch bei solch stabilen Materialien muss die Temperatur des Teleskops konstant bleiben, um die Missionsziele zu erreichen. L3Harris hat eine neue Architektur zur Temperaturerfassung und -steuerung entwickelt, die in der Lage ist, wichtige Bereiche des Teleskops auf einige Tausendstel Grad Celsius stabil zu halten, selbst wenn verschiedene Teile des Observatoriums der glühenden Hitze der Sonne ausgesetzt sind oder den nahezu absoluten Nulltemperaturen im Weltraum ausgesetzt sind. Dieses hochmoderne thermische Kontrollsystem stellt sicher, dass die Strukturen und Optiken im Teleskop äußerst stabil bleiben (Änderungen des Wellenfrontfehlers im Subnanometerbereich) und weiterhin präzise wissenschaftliche Messungen liefern, auch wenn unterschiedliche thermische Extreme auftreten.

Der OTA ist so konzipiert, dass er über eine optimale optische Leistung verfügt, sobald er sein endgültiges Einsatzziel eine Million Meilen von der Erde entfernt erreicht. Das bedeutet, dass bei der Konstruktion selbst die geringfügigen Auswirkungen der Schwerkraft auf der Erde und der Abkühlung des Teleskops auf Betriebstemperatur berücksichtigt werden mussten. Die Ingenieure von L3Harris führten umfangreiche Simulationen durch, um die Veränderungen vorherzusagen, die im Teleskop auftreten werden, wenn es von der Schwerkraft der Erde bei Raumtemperatur in die kalte Schwerelosigkeitsumgebung im Weltraum übergeht. Diese erwarteten Änderungen werden bei der Konstruktion, Herstellung und Ausrichtung der Teleskopoptik berücksichtigt. Darüber hinaus können mehrere wichtige Optiken bewegt werden, um etwaige Unbekannte in den Vorhersagen zu korrigieren.

Eine computergenerierte Darstellung des fertiggestellten römischen Weltraumteleskops Nancy Grace, benannt nach dem ersten Direktor für Astronomie und Heliophysik der NASA. (Bild:NASA)

Die OTA trat Anfang 2024 in eine kritische Phase ein, als die endgültige optische Ausrichtung ihrer verschiedenen Spiegel durchgeführt wurde. Dazu mussten die 10 Optiken mit mikroskopischer Präzision relativ zueinander ausgerichtet und positioniert und dann dauerhaft fixiert werden. Fehlausrichtungsfehler von nur einem Zehntel der Breite eines menschlichen Haares würden die Abbildungsleistung des Teleskops beeinträchtigen. Um eine solch extreme Ausrichtungspräzision zu erreichen, wurde ein spezielles Kamerasystem namens Interferometer verwendet, um die Spiegel mit einer Genauigkeit im Nanometerbereich zu überwachen und während dieses entscheidenden Ausrichtungsprozesses Feedback zu geben.

Nach der endgültigen Ausrichtung wurde das Teleskop strengen dynamischen Tests unterzogen, die die extremen Umgebungsbedingungen berücksichtigen, denen es ausgesetzt sein wird, wenn es an der Spitze einer Rakete ins All geschossen wird. Dazu gehörte, dass das Teleskop akustischen Schallpegeln ausgesetzt wurde, die höher waren als die, die man neben einem Düsentriebwerk wahrnehmen würde, sowie Beschleunigungskräften, die um ein Vielfaches höher waren als die, die der Pilot eines Kampfflugzeugs bei Manövern mit hoher Beschleunigung erfährt.

Der letzte Test, den der OTA bestehen musste, war ein Thermo-Vakuum-Test, bei dem die Leistung des Systems unter Bedingungen bewertet wurde, die die raue Umgebung simulieren, der der OTA im Weltraum ausgesetzt sein wird. Dieser Test fand in einer großen Vakuumkammer in einer L3Harris-Anlage in Rochester, New York, statt. Die Innenwände der Vakuumkammer wurden mit flüssigem Stickstoff gekühlt, um eine sehr kalte Umgebung zu schaffen, und das Teleskop wurde auf Temperaturen von bis zu -120 Grad Fahrenheit (-85 Grad Celsius) gekühlt. Der OTA demonstrierte seine Fähigkeit, die gewünschten Temperaturen aufrechtzuerhalten und gleichzeitig eine hervorragende optische Leistung zu bieten, die alle Anforderungen mit Spielraum erfüllte. Nach dem erfolgreichen Abschluss dieses Tests wurde der OTA an das Goddard Space Flight Center der NASA geliefert, um ihn zusammen mit den wissenschaftlichen Instrumenten und dem Raumfahrzeug zu integrieren.

Wenn das römische Weltraumteleskop gestartet wird, wird es sich dem James Webb-Weltraumteleskop der NASA anschließen und den Lagrange-Punkt L2 umkreisen – 1,5 Millionen Kilometer (1 Million Meilen) direkt „hinter“ der Erde, von der Sonne aus gesehen. Roman wurde für die Zusammenarbeit mit dem Webb-Teleskop konzipiert, um ergänzende wissenschaftliche Beobachtungen durchzuführen, die tiefere Einblicke in kosmologische Phänomene liefern, als es jede Mission für sich allein leisten könnte. Das römische Weltraumteleskop wird in der Lage sein, große Bereiche des Himmels mit einer ähnlichen Auflösung abzubilden wie das Hubble-Weltraumteleskop, allerdings 1000-mal schneller als Hubble. Dies ermöglicht die Vermessung großer Himmelsbereiche mit äußerster Präzision, um für das Webb-Weltraumteleskop interessante Ziele zu identifizieren.

Roman wird außerdem das stabilste große Weltraumteleskop sein, das jemals gebaut wurde, mindestens 10x stabiler als das Webb und 100x stabiler als Hubble. Diese optische Stabilität ist ein entscheidendes Merkmal des Systems, das es Wissenschaftlern ermöglichen wird, grundlegende Theorien der Kosmologie auf eine noch nie dagewesene Weise zu testen. Und wenn das ultrastabile Teleskop mit dem Koronographen kombiniert wird, demonstriert es wichtige Fähigkeiten auf dem Weg zur nächsten Flaggschiff-Astrophysikmission der NASA, dem Habitable Worlds Observatory, und ihrem Ziel, Planeten zu finden, die Leben beherbergen könnten.

Die Lieferung des römischen Weltraumteleskops OTA ist der jüngste Meilenstein in der langjährigen Partnerschaft von L3Harris mit der NASA. Seit mehr als 60 Jahren stellt L3Harris modernste Bildgebungssysteme und andere Lösungen bereit, die die Erforschung des Universums vorantreiben. Von den Hubble-, Chandra- und James-Webb-Teleskopen bis hin zur Internationalen Raumstation und dem Mars-Rover war L3Harris bei jedem Schritt der NASA dabei und hat die Grenzen menschlicher Entdeckungen erweitert.

Dieser Artikel wurde von Peter Miller, Chief Systems Engineer, L3Harris Technologies (Rochester, NY) verfasst. Weitere Informationen finden Sie hier  .