James-Webb-Teleskop

Webb wird uns helfen, einige der fundamentalsten Aspekte unserer Existenz zu verstehen

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Dem Juni 2014 fiebern die Astronomen heute schon entgegen, denn dann soll ein Teleskop ins All starten, das alle bisherigen weit übertrifft: größer als alle anderen, gespickt mit neuester Technologie, ein Koloss, für dessen Transport man die Raumfahrt teilweise neu erfinden musste.
Mindestens sechseinhalb Milliarden US-Dollar wird es kosten - weit mehr als ursprünglich geplant. Doch die 2000 beteiligten Ingenieure sind sich einig: Wenn es die Erwartungen erfüllt, wird es jeden Cent wert sein. Vorhang auf für das James Webb Space Telescope, kurz »Webb«, Nachfolger des ehrwürdigen Weltraumteleskops Hubble. Dessen Bilder revolutionieren seit 20 Jahren unsere Sicht auf das All. Bis 2014 ist Hubbles Betrieb gesichert, aber danach sind seine Tage gezählt. Es wird in der Erdatmosphäre verglühen. Und Webb soll übernehmen - oder vielmehr die Beobachtung des Universums in eine neue Dimension führen. Allein schon seine Größe: Webbs Hauptspiegel hat einen Durchmesser von 6,5 Metern - und ist damit fast dreimal so groß wie der von Hubble. »Damit wird man mit Webb weiter ins All schauen können als je zuvor, bis an den Rand des beobachtbaren Universums in 13,7 Milliarden Lichtjahren Entfernung«, sagt Ralf Maurer, Projektleiter der Firma EADS Astrium in Ottobrunn, die eines der vier wissenschaftlichen Instrumente für Webb baut. Dazu muss man wissen, dass ein Blick ins All auch ein Blick in die Vergangenheit ist. Betrachten wir zum Beispiel die 2,5 Millionen Lichtjahre entfernte Andromeda-Galaxie, so sehen wir sie, wie sie vor 2,5 Millionen Jahren war. Denn damals sandte sie das Licht aus, das erst heute unsere Augen erreicht. Die entferntesten Strukturen im All, die wir anschauen können, sind also 13,7 Milliarden Lichtjahre weit weg, weil das Universum vor so vielen Jahren im Urknall seinen Ursprung fand und seither expandiert. »Webb wird uns zeigen, wie sich die ersten Sterne und Galaxien bildeten«, verspricht John Mather vom Goddard Space Flight Center der NASA, Chefwissenschaftler der Mission. »Es wird in die Staubwolken blicken können, die junge
Sterne umgeben und in denen sich Planeten bilden. Es wird uns helfen, einige der fundamentalsten Aspekte unserer Existenz zu verstehen:
Wie hat alles angefangen? Wie sind wir hierhergekommen?« Um dies zu ermöglichen, mussten sich die Entwickler allerdings einiges einfallen lassen. Sterne in über 13 Milliarden Lichtjahren Entfernung zu beobachten ist nämlich nicht ohne.

Problem Nummer eins:

Auch wenn die ersten Sterne wahre Monster waren, 300 Sonnenmassen schwer, millionenfach heller als die Sonne, auch wenn ganze Galaxien
dieser Monster zugleich leuchteten - auf diese Distanz kommt bei uns nur ein minimales Glimmen an. Es ist zehn Milliarden Mal schwächer als das Licht der Sterne, die wir gerade noch mit den Augen erkennen können. Es braucht schon einen so großen Spiegel wie den von Webb, um dieses Glimmen einzufangen und zu analysieren. Der Haken daran: Keine Rakete der Welt ist groß genug, um einen 6,5-Meter-Spiegel ins All zu bringen – auch nicht die europäische Ariane 5, die für den Transport vorgesehen ist. Die Lösung: Webbs Spiegel besteht nicht aus einem Guss, sondern aus 18 sechseckigen, jeweils 1,3 Meter durchmessenden Segmenten. Im Zusammenspiel arbeiten sie wie ein großer Spiegel, für den Transport jedoch werden an zwei Seiten je drei Elemente wie bei einem Klapptisch eingeklappt. Erst wenn die Rakete das Teleskop im All ausgespuckt hat, entfaltet sich Webb wie ein Schmetterling aus seinem Kokon. Die Segmente bestehen aus dem sehr leichten, aber temperaturbeständigen Metall Beryllium, beschichtet mit Gold, um die Reflexion zu verbessern. Das ändert aber nichts an Problem Nummer zwei: Das Licht aus den Anfängen des Universums ist extrem verzerrt. Die Expansion des Raums hat die Lichtwellen in die Länge gezogen, sodass sie nicht im sichtbaren Bereich des Spektrums bei uns ankommen, sondern im infraroten. Hubble könnte dieses Licht gar nicht erkennen - selbst wenn sein Spiegel groß genug wäre. Darum sind Webbs Instrumente vor allem auf Infrarotlicht geeicht.

Das hat den weiteren Vorteil, dass Webb auch durch den Schleier aus Staub blicken kann, der viele Phänomene im All verhüllt, wie etwa die Geburt von Sternen oder Planeten. Allerdings führt der Empfang infraroten Lichts unmittelbar zu Problem drei: Alle Objekte mit einer gewissen Temperatur strahlen Infrarotlicht aus, denn dies ist nichts anderes als Wärmestrahlung. Würde Webb wie Hubble vom Erdorbit aus ins All blicken - die Wärme unseres Planeten würde alle Bilder überstrahlen. Darum wird Webb viel weiter weg Stellung beziehen, am »Lagrange-Punkt 2«, benannt nach dem französischen Mathematiker, der ihn berechnet hat. Er ist für die Platzierung von Raumsonden ideal, weil dort kaum Treibstoff gebraucht wird, um die Position relativ zur Erde zu halten. »L2« liegt 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt in der Verlängerung der Achse Sonne–Erde. Das ist etwa viermal so weit entfernt wie der Mond. Doch L2 hat noch mehr Vorteile: Dort draußen gibt es keinen Weltraumschrott, der das Teleskop beschädigen könnte. Zudem muss sich ein Teleskop am Lagrange-Punkt nicht permanent neu ausrichten. Im Erdorbit hingegen muss es unablässig korrigiert werden, um immer in dieselbe Richtung zu zeigen. L2 hat allerdings auch Nachteile:

Um den Punkt im All genau zu erwischen, braucht man relativ viel Treibstoff, denn man muss ja die Sonde bis zum Stillstand abbremsen. Soll die Sonde anschließend auf dem Raumpunkt verharren, braucht man kurioserweise weiterhin Treibstoff, denn L2 stellt zwar ein Optimum dar, aber eines mit der Charakteristik des Balancierens auf einer Bleistiftspitze: Ständig muss man nachregeln, um die Sonde auf Position zu halten. Hinzu kommt, dass auf L2 permanente Sonnenfinsternis herrscht - er liegt ja im Schatten der Erde. Daher lässt sich keine Solarenergie gewinnen, um die Ins trumente zu betreiben. Aus diesen Gründen wird Webb nicht in L2 selbst platziert sein, sondern in großen Schleifen um ihn kreisen. So entfällt das Bremsmanöver, der Orbit ist leichter zu kontrollieren - und Webb bleibt in der Sonne. Doch wie war das noch mal?
Sonne bedeutet Wärme, und Wärme verdirbt das Infrarotsignal! Wie soll Webb in der Sonne kreisen und dennoch vor Erwärmung bewahrt
werden? Ganz einfach: durch einen Sonnenschirm. Eine tennisplatzgroße Folie wird Webb vor Sonne, Erde und Mond verstecken, die ja von L2 aus in derselben Richtung liegen und alle infrarot strahlen.

Der Schirm besteht genau genommen aus fünf Folien, die parallel eng hintereinander wie an Zeltstangen aufgespannt werden. Sie sind aus dem Hochleistungskunststoff Kapton gefertigt, der wie Beryllium sehr temperatur- und strahlungsresistent ist. Auch das Kapton ist beschichtet, auf der Sonnenseite mit reflektierendem Aluminium, auf der anderen Seite mit Silizium, das bei Infrarotstrahlung kühlend wirkt. Die erste der fünf Schichten reflektiert das meiste Licht und jede Folgefolie die Wärmeabstrahlung der vorhergehenden. Auf diese Weise werden aus einfallender Strahlung mit 300 Kilowatt Leistung auf der anderen Seite des Schirms weniger als 0,3 Watt. »Dieser Sonnenschutz hat quasi Lichtschutzfaktor 1,2 Millionen«, sagt Jon Arenberg vom USRüstung- und Raumfahrtkonzern Northrop Grumman, Hauptauftragnehmer beim Bau von Webb. Der Schild wird Webbs Instrumente so gut abschirmen, dass sie im eisigen Weltall auf minus 240 Grad Celsius abkühlen, also bis auf rund 33 °C über den Temperatur-Nullpunkt. Nur eines der vier Instrumente braucht dann noch zusätzliche Kühlung.

Eine der größten Herausforderungen der ganzen Mission ist es - Problem vier –, den riesigen Sonnenschirm im All korrekt aufzuspannen, denn natürlich muss auch er gefaltet transportiert werden. »Auf der Erde ist das kaum zu simulieren«, sagt Ralf Maurer, »weil die Schwerelosigkeit eine große Rolle spielt. Man kann sich nur durch viele Experimente annähern.« Über 100 Scharniere, Motoren und Sensoren sollen dafür sorgen, dass alles glattgeht. »Northrop Grumman hat bei anderen Satelliten schon 2000 Mal etwas im All entfaltet, ohne dass etwas schiefging«, beruhigt John Mather. »Und sie sagen, Webb sei definitiv nicht der komplizierteste dieser Fälle.« Wie wichtig Tests sind, weiß man seit Hubble. Vor seinem Start hatte man aus Kostengründen auf den Abschlusstest verzichtet. Erst im All stellte sich heraus, dass der Hauptspiegel falsch geschliffen worden war. Mit Milliardenaufwand mussten Astronauten hochfliegen und Hubble eine Art Brille aufsetzen. Deshalb versichert Mather: »Webb werden wir doppelt und dreifach testen, erst alle Subsysteme und am Ende das ganze Teleskop.« Entscheidend ist – Problem fünf -, dass sich das Teleskop in der Kälte des Alls nicht verzieht. Kein Bauteil darf auch nur einen tausendstel Millimeter verrutschen , wenn es von irdischen 20 Grad plus auf minus 240 im All geht und sich die verschiedenen Materialien unterschiedlich stark zusammenziehen. Zusätzlich muss die Konstruktion auch den Vibrationen des Raketenstarts widerstehen, die bis zum 45Fachen
der Erdbeschleunigung erreichen.

»Das ist technisch gesehen die größte Schwierigkeit«, meint Ralf Maurer. »Zu schaffen ist es, indem man möglichst keine Materialmischungen verwendet, sondern alles aus einer speziellen, extrem robusten Keramik fertigt, die sich in der Kälte nur wenig zusammenzieht. Und die Teile, die zwingend aus Metall sein müssen, werden in ihrem Verhalten relativ zur Keramik genau berechnet.«
Es darf einfach nichts schiefgehen, wenn Webb sich auf seiner rund drei Monate langen Reise zu L2 Schritt für Schritt entfaltet und die Systeme hochfährt. Denn eine Reparaturmission über 1,5 Millionen Kilometer Entfernung ist undenkbar. »Man hat diese Option zwar erwogen«, weiß HansWalter Rix, Direktor am MaxPlanckInstitut für Astronomie in Heidelberg, das auch am Projekt beteiligt ist. »Aber es stellte sich schnell heraus, dass es billiger wäre, ein neues Teleskop zu bauen. Allein, weil die Rakete für eine bemannte Mission in diese Entfernung erst neu entwickelt werden müsste.« Mindestens fünf Jahre soll Webbs Einsatz dauern. Sein Treibstoffvorrat soll sogar für zehn Jahre reichen. »Webbs Möglichkeiten sind weit umfangreicher als die aller anderen Teleskope im All«, sagt HansWalter Rix. »Wobei ich die größten Erkenntnisse gar nicht von den Beobachtungen erwarte, mit denen alle rechnen, sondern von den Überraschungen, die keiner auf dem Zettel hat. Wahrer Fortschritt resultiert aus der Entdeckung des Unbekannten. Und es wäre angesichts der Fähigkeiten Webbs schon eine Enttäuschung, wenn wir nicht Phänomene finden würden, für die wir heute noch gar kein Vokabular haben.«

P.M. Magazin 04/2011