Entwicklung und Validierung der Optik des NASA-Weltraumteleskops Nancy Grace Roman

Ein Optiktechniker liegt auf einem Sprungbrett, das zwischen dem Primär- und Sekundärspiegel des NASA-Weltraumteleskops Nancy Grace Roman gespannt ist. Das Foto zeigt eine projizierte Reflexion durch den optischen Pfad des Teleskops. Der Techniker leuchtet einen Lichtstrahl durch das optische System in Richtung des zukünftigen Standorts des Wide Field Instruments und demonstriert so, wie Licht von kosmischen Quellen nach dem Start der Mission durch das Teleskop laufen wird. (Bild: NASA/Chris Gunn)

Ein leistungsstarkes Auge für den tiefen Weltraum

Bei seinem Start spätestens im Mai 2027 wird das Nancy Grace Roman Space Telescope der NASA als mächtiges Auge im tiefen Weltraum dienen und Bilder von Milliarden entfernter Galaxien aufnehmen sowie die Geheimnisse von Dunkler Materie, Supernovae und anderen kosmischen Phänomenen erforschen.

Das primäre Ziel des Teleskops ist es, große Himmelsbereiche schnell und wiederholt mit hoher Präzision zu vermessen, um die Verteilung normaler (baryonischer) Materie und Dunkler Materie zu kartieren sowie die Expansionsrate des Kosmos in verschiedenen Epochen zu messen, um Dunkle Energie zu untersuchen. Diese Informationen sind entscheidend für unser Verständnis der Entstehung des Universums und helfen Wissenschaftlern, die ferne Zukunft des sich rasch ausdehnenden Kosmos vorherzusagen. Zudem wird das Teleskop mithilfe großflächiger Surveys Planetensysteme um andere Sterne untersuchen, um zu klären, ob Sonnensysteme wie unseres häufig, selten oder vielleicht einzigartig sind.

Meilenstein: Auslieferung der Optical Telescope Assembly

Dieses Foto zeigt die Optical Telescope Assembly (OTA) für das Nancy Grace Roman Space Telescope der NASA, die kürzlich in den größten Reinraum des Goddard Space Flight Centers in Greenbelt, Maryland, geliefert wurde. (Bild: NASA/Chris Gunn)

Ein wichtiger Programmmeilenstein wurde im November 2024 mit der Auslieferung der vollständig fertigen und getesteten Optical Telescope Assembly (OTA) von L3Harris an die NASA erreicht. Diese Hardware fungiert als „Augen“ des Observatoriums: Sie sammelt und konditioniert Licht aus dem Kosmos für die beiden Instrumente der Mission.

Als vertrauenswürdiger Partner der NASA war L3Harris mit dem Design, der Fertigung, Integration und dem Test der OTA betraut. Dazu gehören ein 2,4 Meter (8 Fuß) durchmessender Primärspiegel sowie neun weitere kleinere Spiegel, robuste Strukturen zur Ausrichtung der Spiegel zueinander und zahlreiche Unterstützungssysteme, die den Betrieb des Teleskops in der rauen Weltraumumgebung ermöglichen.

Extreme optische Stabilität durch neuartige Materialien

Von Programmbeginn an wurde die OTA entwickelt, um die anspruchsvollen und einzigartigen Anforderungen der NASA und der Wissenschaftsgemeinschaft für diese Mission zu erfüllen. Ein Hauptfokus des Teleskopteams lag auf der Entwicklung der Technologien, die ein System mit extremer optischer Stabilität ermöglichen. Dazu gehörte die Entwicklung eines neuen, proprietären Kohlenstoffverbundwerkstoffs mit Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE), die niedriger sind als je zuvor erreicht – so niedrig, dass neue Messverfahren entwickelt werden mussten, um seine Eigenschaften zu charakterisieren. Aufgrund des extrem niedrigen CTE würde ein Stück dieses Materials in der Länge eines Fußballfeldes seine Länge bei einer Temperaturänderung von 100 Grad Fahrenheit (55 Grad Celsius) lediglich um 100 Mikrometer (die Breite eines menschlichen Haares) verändern.

Dieses Foto zeigt das gesamte Optiksystem für das Nancy Grace Roman Space Telescope der NASA. Es besteht aus 10 Spiegeln, darunter der 2,4 Meter (7,9 Fuß) große Primärspiegel an der Basis, der als Imaging Optical Assembly (IOA) bezeichnet wird. (Bild: NASA/Chris Gunn)

Präzise Temperaturregelung für ultrasteble Leistung

Selbst mit solch stabilen Materialien muss die Temperatur des Teleskops konstant gehalten werden, um die Missionsziele zu erreichen. L3Harris entwickelte eine neue Architektur für Temperatursensorik und -steuerung, die Schlüsselbereiche des Teleskops auf einige Tausendstel Grad Celsius stabil hält – selbst wenn verschiedene Teile des Observatoriums der sengenden Hitze der Sonne oder den nahezu absoluten Nullpunkt des Weltraums ausgesetzt sind. Dieses hochmoderne Thermalkontrollsystem stellt sicher, dass Strukturen und Optik im Teleskop ultrastebel bleiben (sub-nanometer Änderungen im Wellenfrontfehler) und präzise wissenschaftliche Messungen liefern, selbst unter extremen thermischen Bedingungen.

Design für die Weltraumumgebung

Die OTA ist so konzipiert, dass sie nach Erreichen ihrer endgültigen Betriebsposition – 1,5 Millionen Kilometer (1 Million Meilen) von der Erde entfernt – optimale optische Leistung entfaltet. Das Design musste selbst winzige Effekte der Erdbeschleunigung und das Abkühlen des Teleskops auf Betriebstemperaturen berücksichtigen. Ingenieure von L3Harris führten umfangreiche Simulationen durch, um die Veränderungen vorherzusagen, die eintreten, wenn das Teleskop von der Erdschwerkraft bei Raumtemperatur in seine kalte, schwerelose Umgebung im Weltraum übergeht. Diese vorhergesagten Änderungen flossen in Design, Fertigung und Ausrichtung der Teleskopoptik ein. Zudem können mehrere Schlüssellinsen verschoben werden, um Korrekturen für eventuelle Abweichungen in den Vorhersagen vorzunehmen.

Eine computergenerierte Darstellung des fertigen Nancy Grace Roman Space Telescope, benannt nach der ersten Direktorin für Astronomie und Heliophysik der NASA. (Bild: NASA)

Endgültige optische Ausrichtung und Verriegelung

Anfang 2024 trat die OTA in eine kritische Phase ein: die finale optische Ausrichtung ihrer verschiedenen Spiegel. Dabei mussten die 10 Optiken zueinander in mikroskopischer Präzision ausgerichtet und positioniert und dann dauerhaft fixiert werden. Fehlausrichtungen von nur einem Zehntel der Breite eines menschlichen Haares würden die Abbildungsleistung des Teleskops beeinträchtigen. Um diese extreme Ausrichtungspräzision zu erreichen, wurde ein spezielles Kamerasystem – ein Interferometer – eingesetzt, das die Spiegel mit Nanometergenauigkeit überwacht und während dieses entscheidenden Ausrichtungsprozesses Rückmeldung liefert.

Strenge Umwelttests

Nach der finalen Ausrichtung durchlief das Teleskop strenge dynamische Tests, die die extremen Bedingungen simulieren, denen es beim Start an der Spitze einer Rakete ausgesetzt ist. Dazu gehörte die Beschallung mit akustischen Pegeln, die lauter sind als neben einem Strahltriebwerk, sowie Beschleunigungskräfte, die ein Vielfaches dessen betragen, was ein Kampfjetpilot bei High-g-Manövern erfährt.

Der abschließende Test, den die OTA bestehen musste, war ein Thermovakuumtest, bei dem die Systemleistung unter Bedingungen bewertet wurde, die die raue Weltraumumgebung simulieren. Dieser Test fand in einer großen Vakuumkammer in einer L3Harris-Einrichtung in Rochester, New York, statt. Die Innenwände der Vakuumkammer wurden mit flüssigem Stickstoff gekühlt, um eine extrem kalte Umgebung zu schaffen, und das Teleskop wurde auf Temperaturen von bis zu -120 Grad Fahrenheit (-85 Grad Celsius) abgekühlt. Die OTA demonstrierte ihre Fähigkeit, die gewünschten Temperaturen zu halten und dabei eine exquisite optische Leistung zu erbringen, die alle Anforderungen mit großem Spielraum erfüllte. Nach erfolgreichem Abschluss dieses Tests wurde die OTA zum NASA Goddard Space Flight Center geliefert, um mit den wissenschaftlichen Instrumenten und dem Raumfahrzeugbus integriert zu werden.

Zusammenarbeit mit dem James Webb Space Telescope

Beim Start wird das Roman Space Telescope dem James Webb Space Telescope der NASA am Lagrange-Punkt L2 beitreten – 1,5 Millionen Kilometer (1 Million Meilen) direkt „hinter“ der Erde, von der Sonne aus gesehen. Roman wurde so konzipiert, dass es in Verbindung mit dem Webb-Teleskop komplementäre wissenschaftliche Beobachtungen durchführt, die tiefere Einblicke in kosmologische Phänomene ermöglichen, als es jede Mission allein könnte. Das Roman Space Telescope wird in der Lage sein, große Himmelsbereiche mit ähnlicher Auflösung wie das Hubble-Weltraumteleskop abzubilden, jedoch 1000-mal schneller als Hubble. Dies ermöglicht Surveys großer Himmelsareale mit extremer Präzision, um interessante Ziele für das Webb Space Telescope zu identifizieren.

Roman wird zudem das stabilste große Weltraumteleskop sein, das je gebaut wurde – mindestens 10-mal stabiler als Webb und 100-mal stabiler als Hubble. Diese optische Stabilität ist ein kritisches Merkmal, das Wissenschaftlern ermöglicht, fundamentale kosmologische Theorien auf bisher unmögliche Weise zu testen. In Kombination mit dem Koronografen demonstriert das ultrasteble Teleskop Schlüsselfähigkeiten auf dem Weg zur nächsten NASA-Flaggschiff-Astrophysik-Mission, dem Habitable Worlds Observatory, und dessen Ziel, lebensfreundliche Planeten zu finden.

Langjährige Partnerschaft mit der NASA

Die Auslieferung der Roman Space Telescope OTA ist der jüngste Meilenstein in der langjährigen Partnerschaft von L3Harris mit der NASA. Seit über 60 Jahren liefert L3Harris modernste Bildgebungssysteme und andere Lösungen, die die Erforschung des Universums vorantreiben. Vom Hubble-, Chandra- und James-Webb-Teleskop über die Internationale Raumstation bis hin zum Mars-Rover – L3Harris war bei jedem Schritt der NASA dabei und erweitert die Grenzen der menschlichen Entdeckung.

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