Wenn es um Teleskope geht, ist größer besser. Das gilt hier unten auf der Erde, und es gilt besonders draußen im Weltraum. Während Astronomen und Ingenieure die nächste Generation riesiger Weltraumteleskope entwickeln, stoßen sie an die Grenzen aktueller Trägerraketen. Es gibt nur so viele Möglichkeiten, ein riesiges Teleskop so zu falten, dass es in eine 5-Meter-Startverkleidung passt.
Das kommende James Webb-Weltraumteleskop ist so ziemlich die Grenze dessen, was Sie auf der Erde bauen und in einem einzigen Start in den Weltraum bringen können. Um größer zu werden, müssen Weltraumbehörden in Betracht ziehen, ihre Weltraumteleskope der nächsten Generation zusammenzubauen … im Weltraum.
Wenn das Das Hubble-Weltraumteleskop wurde 1990 gestartet , wurde es an Bord des Space Shuttle Discovery ins All getragen. Viele der Fähigkeiten des Teleskops, einschließlich seines 2,4-Meter-Spiegels, wurden so konzipiert, dass sie in den Frachtraum des Shuttles passen würden.
Die größte Teleskopöffnung, die jemals ins All geschossen wurde, war das Infrarot-Observatorium Herschel der Europäischen Weltraumorganisation und sein 3,5-Meter-Hauptspiegel. Mit all seinen Instrumenten und umlaufenden Solarpanels passt Herschel gerade noch in die 4,6 Meter lange Startverkleidung seines Ariane 5 ECA Startfahrzeug.
Künstlerische Darstellung des Herschel-Weltraumteleskops. Bildnachweis: ESA/AOES Medialab/NASA/ESA/STScI
Als Ingenieure das James-Webb-Weltraumteleskop der nächsten Generation mit seinem 6,5-Meter-Spiegel und einer tennisplatzgroßen Sonnenblende entwarfen, mussten sie die Kunst des Origami annehmen, damit das gesamte Teleskop in eine einzige Ariane-5-Rakete passt.
Wenn James Webb sich von seiner Startverkleidung aus entfaltet und sich an seinem letzten Sun-Earth L2 Lagrange Point-Heim entfaltet, wird es eine enorm komplizierte Transformation durchlaufen.
Das Teleskop wird nacheinander 20 Einsatzereignisse durchlaufen, von denen jedes perfekt verlaufen muss. 40 verschiedene Strukturen, einschließlich Sonnenblende und Hauptspiegel, müssen eingesetzt werden. Es gibt 178 separate Auslösemechanismen, die perfekt funktionieren müssen.
Illustration des James Webb-Weltraumteleskops der NASA. Credits: NASA
Es gibt kein Nachmachen. Und wenn während dieser Bereitstellung etwas passiert, gibt es keine Möglichkeit, es zu beheben.
Wir nähern uns der Zeit der nächsten Decadal Survey, bei der Astronomen, Astrophysiker und Ingenieure zusammenkommen, um ihre Wunschliste für zukünftige wissenschaftliche Ziele auszuarbeiten. Was sind die größten offenen Fragen in der Astronomie, und welche Instrumente, Experimente und Observatorien liefern am besten Antworten?
Wie auch immer sie sich entscheiden, die nächste Generation wird größere Teleskope bringen. Ob ein Vollspektrum-Observatorium wie LUVOIR, das mit einem wesentlich größeren Hauptspiegel in die Fußstapfen von Hubble treten kann, ein bewohnbarer Exoplaneten-Jagdspezialist wie HabEx oder ein fortschrittliches Röntgenobservatorium wie Lynx, diese Dinge werden groß.
Künstlerisches Konzept des Weltraumteleskops Large Ultraviolet/Optical/Infrared Surveyor (LUVOIR). Credits: NASA/GSFC
Kein Origami passt in eine 5-Meter-Verkleidung. Sie passen nicht einmal leicht in ein SpaceX-Raumschiff.
Vielleicht wird diese nächste Generation von Weltraumteleskopen zusammengebaut… im Weltraum.
Während sich Hubble dem Ende seiner Lebensdauer nähert und wir uns auf den Start von James Webb und WFIRST vorbereiten, erwägen Wissenschaftler und Ingenieure weltraumgestützte Konstruktionsmethoden für die folgenden Teleskope.
Im Mai 2018, Die NASA hat eine Studie gechartert beim Bau von Weltraumteleskopen im Weltraum: Die Technik nennt sich „In-Space Assembly“.
Konzept eines im Weltraum montierten Teleskops. Bildnachweis: NASA
Sie stellten sich die Frage: „Da Teleskope immer größer werden, irgendwann zu groß, um in eine Startverkleidung zu passen, wann wird es sich lohnen, Weltraumteleskope im Weltraum zu montieren, anstatt sie auf der Erde zu bauen und autonom von einzelnen Trägerraketen aus einzusetzen? ?
An ihrer Studie nahmen Dutzende von Teilnehmern aus NASA-Zentren, privaten Unternehmen, Regierungsbehörden und Universitäten mit Erfahrung in Rendezvous- und Proximity-Operationen, Robotik, Teleskopoptik, Strukturen, Instrumenten, Trägerraketen und Orbitaldynamik teil.
Die Grundlagen der Weltraummontage wurden über Jahrzehnte mit verschiedenen Missionen während der Gemini- und Apollo-Ära sowie sowjetischen Missionen wie der Mir entwickelt.
Internationale Raumstation. Bildnachweis: NASA
Aber das beste Beispiel ist natürlich die Internationale Raumstation, die Stück für Stück zusammengebaut wurde im Laufe von mehr als 30 separaten Missionen. Das erste auf den Markt gebrachte Stück war das russische Zarya-Modul, das an das US-Unity-Modul angeschlossen wurde. In den nächsten zwei Jahrzehnten fügten viele weitere Space Shuttles sowie Frachtstarts aus den Vereinigten Staaten, Russland, Europa und Japan der Station weitere Module hinzu.
Astronauten arbeiteten mit verschiedenen ferngesteuerten Roboterarmen zusammen, um die Module zusammen an der riesigen Raumstation zu befestigen, die wir heute sehen.
Obwohl der Bau erfolgreich war, verlief er nicht immer reibungslos. Module verzögerten sich, technische Probleme mussten überwunden werden. Alternde Hardware wurde gegen modernere Versionen ausgetauscht.
Ein weiteres überzeugendes Beispiel ist das Hubble-Weltraumteleskop, das heute ein viel besseres Teleskop ist als bei seinem ersten Start. Im Laufe der Jahrzehnte haben Astronauten ihre wissenschaftlichen Instrumente aufgetankt, repariert und mit fortschrittlicheren Gegenstücken aufgerüstet.
NASA-Astronaut Story Musgrave fährt 1993 während der Hubble-Weltraumteleskop-Reparaturmission STS-61 auf dem Canadarm. Bildnachweis: NASA
Obwohl an ISS und Hubble von Menschen gearbeitet wurde, spielen Roboter eine große Rolle bei der laufenden Wartung der ISS. SpaceX Dragon-Kapseln mit Vorräten docken automatisch an den Canadarm2-Roboterarm der Station an. Der Arm dann bewegt die Kapsel zu einem offenen Anlegehafen auf der Station.
Um die Frage zu beantworten, wann eine Montage im Weltraum sinnvoll ist, entwarf das Team ein beispielhaftes Mega-Weltraumteleskop und verglich dann, wie diese Mission mit der weltraumgestützten Montage verlaufen wäre, und verglich sie mit der traditionellen Methode des Teleskopbaus auf dem Boden.
Dieses Teleskop klingt ziemlich süß.
Im Gegensatz zu James Webb wäre dies eine Nachfolgemission von Hubble, die eine breite Palette von Wellenlängen vom Infrarot über das Sichtbare bis hin zum Ultraviolett sehen kann. Sie betrachteten Teleskope von nur 5 Metern – dem doppelten Durchmesser von Hubble – und bis zu 20 Metern, was für jede vorhandene Trägerrakete zu groß wäre.
Das JWST wird seine Beobachtungen durchführen, während es sich in einer sogenannten Halo-Umlaufbahn bei L2 befindet, einer Art gravitativ neutralem Punkt 1,5 Millionen km von der Erde entfernt. Bild: NASA/JWST
Diese Mission würde zum Sonne-Erde-L2-Lagrange-Punkt geschickt werden und die Fähigkeit haben, Exoplaneten zu beobachten, indem ein Koronograph verwendet wird, um das Licht ihrer Sterne zu blockieren.
Sie gingen davon aus, dass jede Komponente in eine 5-Meter-Klasse-Trägerrakete wie eine Falcon Heavy-, Ariane 6- oder United Launch Alliance Vulcan-Rakete passen müsste.
Ich werde hier über die größte Version sprechen,denn natürlich bin ich.
Ihr endgültiges Design war ein außeraxiales 20-Meter-Teleskop, das aus mehreren Hauptkomponenten wie strukturellen Traversen, Teleskopspiegelsegmenten, Sonnenkollektoren, Sonnenschirmen und Modulen mit Instrumenten und anderer Elektronik bestand.
Erste Komponente des iSAT ist der Raumfahrzeugbus mit seinen Roboterarmen und Sonnenkollektoren. Bildnachweis: NASA
Der erste Start wäre der Raumfahrzeugbus, der den größten Teil seiner Elektronik, Stromerzeugung sowie mehrere Roboterarme enthalten würde. Es würde in eine Montagebahn geschossen, die es ihm ermöglichen würde, sich mit sehr wenig Treibstoff zum Sonne-Erde-L2-Lagrange-Punkt zu bewegen, sobald die Montage abgeschlossen war.
Dann würden zusätzliche Module in dieselbe Umlaufbahn geschossen und vom Raumfahrzeugbus erfasst. Es würde seinen Arm verwenden, um das Teleskop Stück für Stück zusammenzubauen, die Rückwand zu bauen, die Sonnenblende auszufahren, den Hauptspiegel aus kleineren sechseckigen Teilen zusammenzubauen, den Sekundärspiegel auszurichten und die verschiedenen wissenschaftlichen Instrumente zu installieren.
Sobald es vollständig zusammengebaut war, würde das Teleskop an seine neue L2-Position gebracht, wo es beginnen würde, Daten von einem 20-Meter-Weltraumteleskop zu liefern.
Komplett montiertes Weltraumteleskop mit Hauptspiegel, Sekundärinstrumenten und Sonnenblende. Bildnachweis: NASA
Wie ich bereits im Video erwähnt habe, bestand der Zweck der Studie darin, herauszufinden, wann der Bau von Weltraumteleskopen im Weltraum der richtige Weg ist, und ihre Schlussfolgerung lautete: Jetzt ist es gut.
Obwohl noch einige technologische Herausforderungen zu bewältigen sind, ist ein Großteil der Arbeit bereits erledigt. Die Hubble-Wartungsmissionen zeigten, dass ein weltraumgestütztes Teleskop repariert und aufgerüstet werden kann. Sogar Teile, die nie für eine Wartung im Weltraum gedacht waren, wurden erfolgreich bearbeitet.
Der Bau der Internationalen Raumstation ISS hat gezeigt, dass die einzelnen Komponenten eines Raumfahrzeugs auf der Erde gebaut und dann im Weltraum zusammengebaut werden können.
Bau des ISS-Wohnmoduls. Bildnachweis: NASA
Obwohl die meiste Arbeit von menschlichen Astronauten und Kosmonauten geleistet wurde, zeigt das präzise automatisierte Andocken von Frachtraumfahrzeugen und der Einsatz der Roboterarme, was heute Routine ist.
Durch das Zerlegen des Teleskops in kleinere Teile könnte die NASA möglicherweise tatsächlich bei vielen Elementen Kosten sparen. Damit James Webb in seine Startverkleidung passt, mussten die Ingenieure komplizierte mehrstufige Auslösemechanismen aus den leichtesten Materialien bauen. Und wenn Sie schon einmal eine leichte Wanderausrüstung gekauft haben, wissen Sie, dass sie schnell teuer wird.
In einer superschweren Trägerrakete hat das größtmögliche faltbare Weltraumteleskop einen Durchmesser von etwa 15 Metern. Mit einem im Weltraum montierten Teleskop gibt es keine praktischen Grenzen.
Da das Teleskop im Weltraum zusammengebaut wird, sollte es relativ einfach sein, es weiter zu warten, Instrumente auszutauschen, wenn neue Technologien entwickelt werden, oder ausgefallene Reaktionsräder zu reparieren. Wenn dem Teleskop der Treibstoff für die Stationshaltung ausgeht, schicken Sie einfach einen Tanker zum Tanken und genießen Sie weitere Jahrzehnte im Dienst. Sobald der Roboterarm den Bau des Teleskops abgeschlossen hat, kann er einfach in den Winterschlaf gehen und auf eine neue Mission warten, um das Raumfahrzeug zu reparieren, aufzurüsten, aufzutanken oder zu warten.
Antares Startunglück. Bildnachweis: NASA Goddard
Raketen versagen immer noch von Zeit zu Zeit, und wenn doch, verlieren Sie nicht Ihr gesamtes Teleskop. Ein Ersatzteil kann schneller gebaut und auf den Markt gebracht werden.
Laut den Forschern gibt es keine Showstopper, um mit der Montage von Teleskopen im Weltraum zu beginnen. Sie waren erleichtert, als sie feststellten, dass es nicht gegen die Gesetze der Physik verstößt. Puh.
Insgesamt stellten sie fest, dass im Weltraum montierte Teleskope hinsichtlich der Kosten mit Einzelstart-Observatorien konkurrenzfähig sind. Und für die größten Teleskope gibt es keine anderen Optionen.
Sie sind noch nicht vollständig flugbereit, die NASA muss jedoch noch modulare Elemente sowie eine Verifikation und Validierung im Weltraum entwickeln.
Am Ende kamen sie zu dem Schluss, dass sogar Teleskope mit einer Größe von nur 5 Metern von der Montage im Weltraum profitieren können. Und wenn man an zukünftige Serviceeinsätze denkt, sind die Vorteile noch wichtiger.
Wenn James Webb endlich abhebt, könnte dies das Ende einer Ära bedeuten. Das letzte Mal, dass ein riesiges Teleskop auf dem Boden gebaut und dann mit einem einzigen Start ins All geschickt wurde.
Zukünftige Teleskope könnten in Einzelteilen gebaut und dann im Weltraum zusammengebaut werden und im Laufe der Zeit mit dem Fortschritt der Technologie größer und besser werden.
Das ist keine Frage des Ob, sondern eine Frage des Wann.
Quelle: NASA iSAT-Studie
