Hier ist, was mit dem Webb-Weltraumteleskop noch schief gehen könnte
Das Webb Space Telescope hat nach Jahren der Verzögerung endlich die Startrampe erreicht. Es ist ein bedeutsamer Anlass, aber das Observatorium muss noch einen komplexen und beispiellosen Inbetriebnahmeprozess durchlaufen, der nervenaufreibende sechs Monate in Anspruch nehmen wird. Der schwierige Teil, so scheint es, steht noch bevor.
Webb wurde von den amerikanischen, europäischen und kanadischen Weltraumbehörden und mit Hilfe privater Auftragnehmer wie Lockheed Martin entwickelt und wurde als das „komplexeste und leistungsfähigste Teleskop, das jemals gebaut wurde“ beschrieben . Mit seinen Infrarotfähigkeiten wird Webb nach alten Sternen und Galaxien jagen, die Entstehung von Sternen und Exoplaneten untersuchen und in der Milchstraße nach Leben suchen. Das Weltraumteleskop hat das Potenzial, unsere Sicht auf den Kosmos und unser Verständnis von unserem Platz darin buchstäblich und im übertragenen Sinne zu verändern .
Die Aufregung für diese Mission wird durch die Tatsache unterstrichen, dass Webb 2007 aufsteigen sollte, aber eine umfassende Neugestaltung mit seiner Sonnenblende , Kostenüberschreitungen, die das ursprüngliche Angebot fast verdoppelten , laufenden technischen Hürden, umfangreichen Tests und Problemen mit dem Auserwählten zu tun hatte Trägerrakete – hält inne, um Luft zu holen – die Covid-19-Pandemie und Probleme während der Verarbeitung im Raumfahrtzentrum von Guayana haben sich alle verschworen, um das aktuelle Startdatum auf den 25. Dezember 2021 zu legen (der Start ist derzeit zwischen 7:20 und 7:52 Uhr geplant Uhr EST am Weihnachtstag ).
Das schwere Heben scheint sozusagen hinter uns zu liegen, aber es bleiben noch viele Schritte, bevor Webb für voll funktionsfähig erklärt werden kann. Nun, ich kann unmöglich alles erklären, was von jetzt bis dahin möglicherweise schief gehen könnte, aber ich kann einige Schlüsselphasen und sogar einige technologische Spielereien durchgehen, die in den nächsten sechs Monaten Probleme verursachen könnten.
Bevor wir dazu kommen, möchte ich jedoch über die Ariane-5- Rakete sprechen, die Webb ins All bringen wird. Die Arianespace-Rakete ist super zuverlässig, aber ein früheres technisches Problem macht mich angesichts des bevorstehenden Starts etwas nervös. Bei zwei verschiedenen Gelegenheiten im Jahr 2020 erlebte die Ariane-5-Rakete unerwartete Fahrzeugbeschleunigungen während der Verkleidungstrennung. Arianespace hat das Problem inzwischen behoben, und alles scheint in Ordnung zu sein, aber ich finde es nicht gut, dass dies passiert ist. Das wird mich am Weihnachtsmorgen etwas nervöser machen, wenn ich an meinem Eierlikör nippe und den Start beobachte.
Ungeachtet eines katastrophalen Raketenausfalls (der Himmel bewahre) könnte der Start schädliche Vibrationen erzeugen. Allerdings ist Webb speziell dafür ausgelegt, das erwartete Schütteln zu tolerieren . Im Jahr 2016 offenbarten Vibrationstests ein Problem mit den Verzurrungen oder „Startrückhaltemechanismen“, die die Spiegelflügel des Teleskops halten werden. Die vielen Akustik- und Vibrationstests , die an dem 14.300-Pfund-Instrument durchgeführt wurden, hätten dies neben anderen möglichen Problemen ausschließen müssen, aber wir werden es nicht wissen, bis Webb endlich ins All kommt.
Wie Alison Nordt, Weltraumwissenschafts- und Instrumentierungsdirektorin von Lockheed Martin, in einer E-Mail erklärte, muss Webb nicht nur den Start überleben, sondern auch seine unhöfliche Einführung in den Weltraum.
„Ich freue mich natürlich sehr auf den JWST-Start, und es steht definitiv viel auf dem Spiel“, sagte Nordt. „Die Weltraumumgebung, einschließlich des Starts, weist viele Unterschiede zum Boden auf – Dinge wie Startlasten (Vibration und Akustik), Vakuum (Luftmangel), extreme Temperaturen (insbesondere für Webb, die auf etwa -400 ° F gehen) und Schwerelosigkeit. “, was nicht unbedingt vor Ort getestet werden kann.
Die Startsequenz selbst sollte eine Routineangelegenheit sein, bei der die seitlichen Booster der Ariane einige Minuten nach dem Start wegfallen, gefolgt vom Abwerfen der Nutzlastverkleidung. Die untere Stufe der Rakete wird weiterhin den nötigen Schub liefern, aber sobald sie keinen Treibstoff mehr hat, muss sie ebenfalls abfallen, damit die obere Stufe übernehmen kann. Das Raumschiff muss dann eine Reihe von Oszillationsmanövern durchführen, um zu verhindern, dass die Sonnenstrahlung eine einzige Seite des jetzt freigelegten Teleskops trifft. Die Oberstufe wird etwa 27 Minuten nach dem Start abgeworfen, zu diesem Zeitpunkt wird Webb unabhängig und unter eigener Kraft sein.
Markteinführungen beinhalten immer ein gewisses Risiko, aber in diesem Fall sind es all die Dinge, die als nächstes passieren werden, die die größten Probleme verursachen könnten. Mit mehr Falten als eine Origami-Papierskulptur muss sich das Weltraumteleskop öffnen, ein metaphorisches Gähnen von sich geben und seine vielen Komponenten entfalten.
Die Raumsonde wird ihre Solarmodule etwa 33 Minuten nach Beginn der Mission einsetzen, „damit Webb damit beginnen kann, Strom aus Sonnenlicht zu erzeugen und seine Batterie nicht mehr zu entladen“, wie die NASA in den Webb-FAQ schreibt . „Webb wird schnell seine Fähigkeit entwickeln, sich selbst zu orientieren und im Weltraum zu ‚fliegen‘.“ Die High-Gain-Antenne von Webb wird zu diesem Zeitpunkt ebenfalls eingesetzt, um laut NASA „so früh wie möglich die höchsten verfügbaren Raten der Datenkommunikation zu ermöglichen“.
Das Aufstellen der Solaranlagen wird eine zeitkritische Angelegenheit sein, aber auch die erste Flugbahnkorrektur. Im Gegensatz zu Hubble, das im erdnahen Orbit arbeitet, wird Webb seine Geschäfte am zweiten Lagrange-Punkt oder L2 abwickeln. Dieser Sweet Spot, der sich zwischen Erde und Sonne befindet, ist sehr stabil, was bedeutet, dass Webb nicht übermäßig viel Treibstoff verbrauchen muss, um in Position zu bleiben. L2 befindet sich etwa 1 Million Meilen (1,5 Millionen km) von der Erde entfernt, Webb wird also einen ganzen Monat brauchen, um dorthin zu gelangen, während dieser Zeit muss das Raumschiff einige Kurskorrekturen vornehmen. Die erste, bekannt als MCC-1a, wird etwa 12,5 Stunden nach Beginn der Mission stattfinden.
Webbs erster Tag im Weltraum klingt intensiv, aber die folgenden Wochen und Monate werden ebenfalls einige sehr wichtige Schritte beinhalten, von denen jeder die Mission gefährden könnte , wie SpaceNews erklärt :
Drei Tage nach dem Start beginnt der Prozess des Entfaltens des fünfschichtigen Sonnenschutzes des Teleskops. Als Infrarotteleskop benötigt Webb diese Abschirmung, um mögliche Interferenzen zu minimieren; Das Teleskop ist darauf ausgelegt, Wärmequellen zu erkennen, so dass die Wissenschaftler als letztes die Wärme aufnehmen müssen, die von ihren eigenen Instrumenten kommt. In der Woche nach dem Start „werden die kritischsten Operationen alle Sonnenschutzvorrichtungen und das Spannen der Schichten sein“, sagte Nordt gegenüber Gizmodo. „Der Einsatz des Sonnenschutzes sorgt zum Teil für die meisten Diskussionen, weil es das am schwierigsten zu testende System war, wie Sie es fliegen.“ Andere Bereitstellungen, wie die Einführung der Heizkörper von Webb, werden zur gleichen Zeit stattfinden.
In der zweiten Woche sollte das Team die Einsätze abschließen, einschließlich des Aufklappens und Verriegelns des Sekundärspiegelstativs, des Drehens und Verriegelns der beiden Hauptspiegelflügel und des Entriegelns der Hauptspiegelsegmente. Der vollständige Einsatz des Teleskops sollte etwa 13 Tage nach Beginn der Mission abgeschlossen sein. Die Auswirkungen des Sonnenschirms sollten sich etwa zu dieser Zeit bemerkbar machen, da die wissenschaftlichen Instrumente einer schnellen Abkühlung unterliegen.
„Das Webb-Team hat alles in seiner Macht Stehende getan, um alles zu testen, um den Erfolg sicherzustellen, und ich weiß, dass wir alle etwas leichter aufatmen werden, sobald alle Bereitstellungen abgeschlossen sind und wir mit den Ausrichtungen fortfahren können“, sagte Nordt.
Das Ende des ersten Monats beinhaltet eine letzte Kurskorrektur (an Tag 29) und das Einsetzen von Webb in seine L2-Umlaufbahn. Aufregenderweise werden die Controller dann die vier wissenschaftlichen Instrumente des Observatoriums einschalten: die Nahinfrarotkamera (NIRCam), den Nahinfrarot-Spektrographen (NIRSpec), das Mittelinfrarotinstrument (MIRI) und den Feinführungssensor/Nahinfrarot-Imager und Slitless Spektrograph (FGS-NIRISS).
„Sobald all diese Einsätze abgeschlossen sind, ist der nächste Schritt bei der Inbetriebnahme derjenige, auf den ich mich persönlich am meisten freue: das Einschalten der NIRCam, um mit dem akribischen Prozess der Ausrichtung der 18 Hauptspiegelsegmente zu beginnen“, sagte Nordt.
Um diesen Prozess der Feinabstimmung der Spiegel zu starten, „positionieren und biegen 126 extrem präzise Aktuatoren auf der Rückseite der Spiegel jeden Spiegel auf subtile Weise in ein bestimmtes Rezept, ein Prozess, der Monate dauern wird“, sagt die NASA . NIRCam kann Verzerrungen im einfallenden Licht mit großer Präzision erkennen, sagte Nordt, und diese Daten werden es dem Team, das die Kontrolle über die einzelnen Spiegelsegmente hat, ermöglichen, „ihre Krümmung entsprechend zu verschieben, zu drehen und zu ändern“. Am Ende dieses Ausrichtungsprozesses dienen die 18 einzelnen Segmente als ein einziger Hauptspiegel. „Wie Sie sich vorstellen können, müssen diese Messungen von NIRCam genau richtig sein, damit all dies funktioniert“, erklärte Nordt.
Diese anfänglichen Optikprüfungen und Teleskopausrichtungen finden in den Monaten zwei bis vier statt. Die Monate fünf und sechs umfassen die abschließenden Kalibrierungen und den Abschluss des Inbetriebnahmeprozesses. Webb wird Beobachtungen von repräsentativen Zielen durchführen, um bei den Kalibrierungen zu helfen, und frühe Demonstrationen werden die Fähigkeit des Observatoriums testen, Objekte wie Asteroiden, Kometen und Monde zu verfolgen. Das Team erstellt dann einen vorläufigen Bericht, die Early Release Observations, um die Fähigkeiten des Teleskops zu demonstrieren. Erst danach beginnt der offizielle Wissenschaftsbetrieb.
Webb sollte mindestens fünf Jahre funktionsfähig bleiben, aber es wird erwartet, dass es mindestens 10 und möglicherweise 12 Jahre lang funktioniert. In diesen Jahren muss das Teleskop leichte Triebwerksstöße ausführen, um es in L2 zu halten, aber der Treibstoff die für diese Anpassungen benötigt werden, werden irgendwann aufgebraucht sein, nach dieser Zeit wird das Teleskop einfach wegdriften, wodurch die wissenschaftliche Phase der Mission effektiv beendet wird.
Da es keine praktikable Möglichkeit gibt, das Teleskop zu reparieren, falls etwas schief gehen sollte, und möglicherweise 10 Jahre wissenschaftlicher Durchbrüche auf dem Spiel stehen , werden wir an diesem Weihnachtsmorgen nervös sein . Das nächste Jahrzehnt wird für Webb und die vielen Astronomen, die planen, es zu verwenden, ein arbeitsreiches Jahr sein. Damit all dies jedoch geschehen kann, müssen die Sterne, wie es scheint, perfekt ausgerichtet werden.
