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Die aufregende Reise des James Webb-Weltraumteleskops der NASA steht vor der Tür

by drbyos
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Anfang dieses Monats gab die NASA bekannt, dass das James Webb Space Telescope am 18. Dezember nach jahrelangen Verzögerungen endlich die Erde verlassen wird, um die Astrophysik und Kosmologie zu revolutionieren.

Aber bevor dieses 10-Milliarden-Dollar-Observatorium seine Arbeit aufnehmen kann, muss es eine entmutigende Fahrt überstehen, die eine Seereise, einen Raketenstart und einen 1,5 Millionen Kilometer langen Flug zu seinem Ziel umfasst: Lagrange Point 2 oder L2. Weit jenseits der Umlaufbahn des Mondes (und außerhalb der Reichweite einer kurzfristigen Rettungsmission) ist L2 eine Region, in der sich die Gravitationskräfte der Erde und der Sonne ausbalancieren, um einen perfekten Langzeitparkplatz für Teleskope zu schaffen. Da Webb unseren Planeten und unseren Mond hinter sich lässt, muss er auch Schlüsselkomponenten einsetzen, die gefaltet wurden, um in seine Rakete zu passen. Dieser Hochspannungsprozess umfasst etwa 178 Auslösemechanismen, von denen jeder einwandfrei funktionieren muss, damit das Teleskop seine etwa 40 großen Einsätze abschließen kann.

„Dies ist die komplexeste wissenschaftliche Mission, die wir je durchgeführt haben“, sagt Nancy Levenson, stellvertretende Direktorin des Space Telescope Science Institute (STSci). “Vieles muss stimmen.”

Webb ist ohne Frage das fortschrittlichste Weltraumteleskop, das jemals gebaut wurde. Der Infrarotblick der Raumsonde wird kosmische Staubwolken durchdringen, um die verborgenen Details von stellaren Kinderstuben und embryonalen Protoplaneten mitten in der Entstehung zu enthüllen. Es wird auch die schwachen Photonen sammeln, die von den ersten Sternen und Galaxien ausgestrahlt wurden, die sich nach dem Urknall bildeten – die ursprünglich als sichtbares Licht emittiert wurden, aber seitdem durch die Expansion des Kosmos gestreckt oder „rotverschoben“ wurden.

„Es wird uns helfen, einige der Geheimnisse unseres Universums zu entschlüsseln“, sagt Greg Robinson, Webbs Programmdirektor bei der NASA. “Ich möchte sagen, dass es die Physikbücher neu schreiben wird.”

Aber das setzt voraus, dass alles nach Plan verläuft.

Zu Land und zu Wasser

Webbs Reise beginnt in Redondo Beach, Kalifornien, im Werk Northrop Grumman, wo der Bau und die letzten Tests abgeschlossen wurden. Dort wird die derzeit zusammengeklappte Raumsonde in einen speziellen Versandcontainer namens Super Space Telescope Transporter for Air, Road and Sea oder Super STTARS gelegt. Der maßgeschneiderte Reise-Pod schützt Webb vor Feuchtigkeit, Vibrationen und Temperaturschwankungen.

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Später in diesem Monat wird Webb, während er in seinem High-Tech-Kokon untergebracht ist, zum Hafen der Stadt transportiert und auf ein Boot gesetzt. Das genaue Datum der Abreise wurde geheim gehalten, um Piraterie zu unterdrücken, sagt Massimo Stiavelli, Leiter des Missionsbüros von Webb bei STScI.

Details zur Sicherheit des Teleskops wurden nicht veröffentlicht. Trotzdem sagt Stiavelli, dass er sich keine Sorgen macht, dass Piraten die kostbare Fracht stehlen, dank zahlreicher nicht bekannter, aber sehr realer Sicherheitsmaßnahmen für die Seereise. Im Falle eines Raubüberfalls auf hoher See sagt er: „Ich würde mir Sorgen machen [the safety of] die Piraten selbst.“

Nach dem Ablegen vom Ufer wird das Teleskop, das noch in Super STTARS enthalten ist, entlang der Küste und durch den Panamakanal nach Süden reisen. Webb wird wahrscheinlich Anfang Oktober in die Karibik einreisen, also während der Hurrikansaison.

Entlang der Schifffahrtsroute des Raumfahrzeugs wurden sichere Häfen identifiziert. Und die Wetterbedingungen werden genau überwacht, um sicherzustellen, dass es nicht unerwartet in einem Sturm verwundet wird, sagt Stiavelli.

Nach etwa zwei Wochen auf See wird das Teleskop den Hafen und Startplatz der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) von Kourou in Französisch-Guayana erreichen. Dort wird Webb die Startvorbereitungen durchlaufen, einschließlich der Betankung, der letzten Elektronikprüfungen und natürlich der Montage des Raumfahrzeugs auf seinem himmlischen Ross: der Ariane-5-Rakete der ESA.

Noch zusammengeklappt wird das 6.500 Kilogramm schwere Teleskop im oberen Teil der Rakete in einer Kammer namens Verkleidung befestigt. Nach der Positionierung ist Webb bereit, in die Lüfte zu steigen.

Absprengen

Unter der Annahme, dass es keine weiteren Verzögerungen auf dem Weg zur Startrampe gibt, wird Webb am frühen Morgen des 18. Dezember mit einer leichten Flugbahn nach Osten über dem Atlantischen Ozean abheben. Seine Ariane-5-Rakete gilt als zuverlässiges Arbeitspferd, und das Teleskop selbst hat Tests bestanden, die die Belastungen eines Starts nachahmen sollen.

Dennoch „einer der größten Erleichterungen wird ein erfolgreicher Start sein“, sagt Heidi Hammel, Vizepräsidentin des Verbandes der Hochschulen für Astronomieforschung. „Wie wir in der Branche sagen, das ist Raketenwissenschaft. Wir setzen diese unglaublich kostbare Ressource auf eine Rakete und setzen sozusagen den Zünder.“

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Die Blüte von Webb

Einmal sind es etwa 10.400 Kilometer in Auf seiner Reise wird sich Webb von der zweiten Stufe der Ariane 5 lösen, was das Ende des Starts bedeutet. Doch der nervenaufreibendste Teil von Webbs Reise hat gerade erst begonnen: eine 1,5 Millionen Kilometer lange Fahrt zur L2, bei der sich das zusammengeklappte Teleskop langsam entfaltet.

„Da fängt das Nägelkauen an“, sagt Hammel. „Wir sind nicht da. Wir können keine Anpassungen vornehmen, also müssen die Dinge gut funktionieren.“

Nur wenige Augenblicke nach der Trennung von der Rakete wird sich die Solaranlage von Webb entfalten, um die Raumsonde mit Strom zu versorgen. Obwohl die Bereitstellung der Solaranlage ein relativ einfaches Verfahren ist, ist ihr Erfolg entscheidend, um alle folgenden Operationen mit Strom zu versorgen, sagt Stiavelli.

Bildnachweis: Bryan Christie Design

Ungefähr 12 Stunden nach dem Start feuern die Triebwerke des Raumfahrzeugs zum ersten Mal, um seine Flugbahn zu korrigieren. Kurskorrekturen müssen effizient sein, um den Treibstoff des Teleskops zu schonen und seine Lebensdauer zu maximieren, sagt Stiavelli. Die Bestätigung einer erfolgreichen Kurskorrektur wird erst lange nach der Tat eintreffen, obwohl bei Bedarf spätere Anpassungen an Webbs Flugbahn vorgenommen werden können.

Wenn sich das Teleskop seinem dritten Tag im Weltraum nähert, wird Webb damit beginnen, eines seiner kompliziertesten und prominentesten Instrumente einzusetzen: die Sonnenblende. Wenn es problemlos abgewickelt wird, verhindert ein Stapel von fünf riesigen drachenförmigen Polyimidfolien, dass Sonnenlicht und Wärme die Infrarotsensoren des Teleskops erreichen, die bei extrem niedrigen kryogenen Temperaturen bleiben müssen, um richtig zu funktionieren.

Der Sonnenschutz ist entscheidend, um das Teleskop ausreichend kalt zu halten, damit es das Infrarotlicht der kosmischen Morgendämmerung wahrnehmen kann, sagt Hammel. „Der Einsatz muss gut laufen“, fügt sie hinzu.

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Doch um die Sonnenblende zu öffnen, müssen innerhalb von drei Tagen rund 150 Auslösemechanismen korrekt ausgelöst werden. Der komplizierte Einsatz umfasst rund 7.000 Teile, darunter 400 Riemenscheiben, acht Motoren und 140 Auslöseaktuatoren. Der Einsatz der Sonnenblende ist der Schlüssel zur Verwirklichung der kühnsten Träume der Wissenschaftler für das Observatorium. Doch für Luft- und Raumfahrtingenieure sind die Komplexität des Verfahrens und die hohe Zahl an Einzelfehlern Albträume.

„Es ist eine große Aufgabe: Diese fünf extrem dünnen Schichten, die jeweils die Größe eines Tennisplatzes haben, alle auseinander zu ziehen und voneinander zu trennen“, sagt Hammel. Und die Angst wird mit einer nominellen Sonnenblende nicht verschwinden. Sechs Tage nach dem Flug wird der Sekundärspiegel des Teleskops, der am Ende von drei langen Armen positioniert ist, abgesenkt. Trotz seines Namens ist der Sekundärspiegel eine entscheidende Komponente für den Erfolg von Webb, sagt Hammel. Wenn andere Bereitstellungen nicht perfekt funktionieren, kann es Workarounds geben. „Aber wenn der Sekundärspiegel nicht erfolgreich ausfährt, haben wir kein Teleskop“, sagt sie. “Wir haben nichts.”

Am siebten Tag wird Webbs 6,5-Meter-Hauptspiegel, eine Sammlung von 18 aus Beryllium behauenen, vergoldeten sechseckigen Segmenten, beginnen, sich zu entfalten. Zuerst schwingen zwei „Flügel“ aus und rasten wie Teile eines Klapptisches ein. Dann drücken oder ziehen winzige Aktuatoren jedes der Spiegelsegmente in eine Mikrometer-genaue Ausrichtung, wodurch der singuläre Fokus des Hauptspiegels erzeugt wird. Die Bereitstellung und Ausrichtung des Hauptspiegels umfasst 132 Aktuatoren und Motoren, von denen jeder ordnungsgemäß funktionieren muss.

Schließlich, einen Monat nach dem Start, sollte Webb L2 erreichen, einen der kühnsten Raumflüge aller Zeiten abschließen und es den Astronomen der Welt ermöglichen, gemeinsam auszuatmen.

„Dafür üben wir seit Jahren“, sagt Hammel. „Das ist wie ein Orchesterkonzert mit Hunderten von Leuten, die alle verschiedene Instrumente spielen. Jeder muss seinen Part geübt haben und alle Instrumente müssen bereit sein. Und dann spielen wir die Musik.“

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