Bildnachweis: University of Arizona
Vor über 30 Jahren kam Dr. Roger Angel an die University of Arizona, angezogen von den günstigen Bedingungen für astronomische Beobachtungen in der Gegend von Tucson, Arizona: Mehrere Teleskope sind bequem in der Nähe und das Wetter ist natürlich wunderbar gemäßigt. Doch nun schlägt Angel vor, ein Teleskop an einem etwas abgelegeneren und nicht ganz so milden Ort zu bauen: einem Polarkrater auf dem Mond.
Bekannt für seine Innovationen bei leichten Teleskopspiegeln und adaptiver Optik, leitet Angel jetzt ein Team von Wissenschaftlern aus den USA und Kanada, das die Machbarkeit des Baus eines Deep-Field-Infrarot-Observatoriums in der Nähe eines der Mondpole mit einem Liquid Mirror Telescope (LMT .) untersucht ).
Dieses Konzept ist einer von 12 Vorschlägen, die im vergangenen Oktober vom NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC) gefördert wurden. Jeder erhält 75.000 US-Dollar für sechs Monate Forschung, um erste Studien durchzuführen und Herausforderungen in der Entwicklung zu identifizieren. Projekte, die die erste Phase überstehen, können über einen Zeitraum von zwei Jahren bis zu 400.000 US-Dollar zusätzlich erhalten.
LMTs werden hergestellt, indem eine reflektierende Flüssigkeit, normalerweise Quecksilber, auf einer schalenförmigen Plattform gedreht wird, um eine parabolische Oberfläche zu bilden, die sich perfekt für die astronomische Optik eignet. Isaac Newton hat die Theorie ursprünglich vorgeschlagen, aber die Technologie, um ein solches Gerät tatsächlich erfolgreich herzustellen, wurde erst vor kurzem entwickelt. Heute werden nur eine Handvoll LMTs verwendet, darunter ein 6-Meter-LMT in Vancouver, Kanada, und eine 3-Meter-Version, die die NASA für ihr Orbital Debris Observatory in New Mexico verwendet.
Auf der Erde sind LMTs auf einen Durchmesser von etwa 6 Metern beschränkt, da der selbsterzeugte Wind, der beim Drehen des Teleskops entsteht, die Oberfläche stört. Darüber hinaus unterliegen LMTs wie andere erdgestützte Teleskope einer atmosphärischen Absorption und Verzerrung, was die Reichweite und Empfindlichkeit der Infrarotbeobachtung stark reduziert. Aber der atmosphärenfreie Mond, sagt Angel, bietet den perfekten Standort für diese Art von Teleskop und liefert gleichzeitig die Schwerkraft, die für die Bildung des Parabolspiegels erforderlich ist.
Das Potenzial eines LMT auf dem Mond besteht darin, ein sehr großes Teleskop zu bauen. Als Referenz hat das Hubble-Weltraumteleskop einen 2,4-Meter-Spiegel, und das James-Webb-Weltraumteleskop (JWST), das für den Start im Jahr 2011 entwickelt wird, wird einen 6-Meter-Spiegel haben. Das Konzept für Angels NIAC-Vorschlag ist ein 20-Meter-Spiegel, aber mit den bisherigen Forschungen des Teams suchen sie nun nach sehr großen Spiegeln, wobei 100 Meter die Big-End-Option sind. Sie ziehen auch kleinere LMTs in Betracht. 'Wir können natürlich nicht zum Mond fliegen und als erstes einen 100-Meter-Spiegel machen', sagte Angel. „Wir betrachten eine Abfolge von Maßstabsgrößen von 2 Metern, 20 Metern und 100 Metern und prüfen, welches Potenzial für jeden einzelnen besteht.“ Angel glaubt, dass das 2-Meter-Teleskop ohne menschliche Anwesenheit auf dem Mond gebaut und als Roboterteleskop aufgebaut werden könnte, ähnlich wie die wissenschaftlichen Instrumente auf den Mars-Rovers jetzt arbeiten.
Die Einschränkung eines Flüssigkeitsspiegels besteht darin, dass er nur gerade nach oben zeigt, also nicht wie ein Standardteleskop, das in jede Richtung ausgerichtet werden kann und Objekte am Himmel verfolgt. Es betrachtet nur den Himmelsbereich, der direkt über Ihnen liegt.
Das wissenschaftliche Ziel eines LMT besteht also darin, nicht den ganzen Himmel zu überblicken, sondern einen Raumbereich intensiv zu betrachten. Diese Art der Astronomie war sehr „profitabel“, wie Angel sie beschrieb, in Bezug auf die Fülle der gesammelten Informationen. Einige der produktivsten wissenschaftlichen Bemühungen des Hubble-Weltraumteleskops waren seine „Deep Field“-Fotos.
Zu jeder Zeit nur einen Bereich des Weltraums betrachten zu können, treibt Angel und sein Team an, an einem der Mondpole nach dem besten Standort für dieses Teleskop zu suchen. Wie bei den Polen der Erde bietet der Blick von den Polen auf dem Mond immer das gleiche extragalaktische Sichtfeld. 'Wenn wir zum Nord- oder Südpol des Mondes gehen, werden wir die ganze Zeit einen Himmelsfleck abbilden, und das ermöglicht Ihnen eine extrem tiefe Integration, viel tiefer sogar als das Hubble Deep Field.' Kombinieren Sie dies mit einer großen Öffnung, und dieses Teleskop würde eine Beobachtungstiefe bieten, die mit keinem Teleskop auf der Erde oder im Weltraum erreicht wird. „Das ist die Nische oder besondere Stärke dieses Teleskops“, sagte Angel.
Ein weiterer Vorteil von Flüssigspiegeln ist, dass sie im Vergleich zum Herstellungsprozess eines Standardspiegels durch Erstellen, Polieren und Testen eines großen, starren Glasstücks oder das Erstellen kleinerer Stücke, die poliert, getestet und dann sehr miteinander verbunden werden müssen, sehr kostengünstig sind genau. Außerdem benötigen LMTs keine teuren Halterungen, Stützen, Trackingsysteme oder eine Kuppel.
„Die Gesamtkosten des James-Webb-Teleskops werden voraussichtlich eine Milliarde Dollar übersteigen, wobei der Preis allein für den Spiegel etwa eine Viertelmillion Dollar beträgt“, sagte Angel. „Dieser Spiegel ist 6 Meter lang. Wenn wir also diese Technologie auf noch größere Spiegel im Weltraum skalieren, werden wir irgendwann die Bank sprengen und wir werden sie uns mit der gegenwärtigen Technologie zur Herstellung des polierten Spiegels nicht leisten können und“ um es in den Weltraum zu bringen.“
Auch wenn das 2-Meter-Teleskop ein Prototyp wäre, wäre es dennoch astronomisch wertvoll. 'Wir könnten Dinge tun, die zum Spitzer-Weltraumteleskop und zum Webb-Teleskop komplementär sind, da das 2-Meter-Teleskop auf dem Mond das Gebiet zwischen diesen beiden Teleskopen ausfüllen würde.' Ein 20-Meter-Spiegel würde eine dreimal höhere Auflösung als der JWST bieten, und durch Integration oder Offenlassen des „Verschlusses“ für lange Zeiträume, wie ein Jahr, könnten 100-mal lichtschwächere Objekte betrachtet werden. Ein 100-Meter-Spiegel würde Daten liefern, die außerhalb der Charts liegen.
Eine der Herausforderungen bei der Entwicklung eines LMT auf dem Mond besteht darin, die Lager zu schaffen, um die Plattform reibungslos und mit konstanter Geschwindigkeit zu drehen. Luftlager werden für LMTs auf der Erde verwendet, aber ohne Luft auf dem Mond ist das unmöglich. Angel und sein Team untersuchen kryogene Schwebelager, ähnlich denen, die für Magnetschwebebahnen verwendet werden, um eine reibungslose Bewegung durch Verwendung eines Magnetfelds zu erzielen. Angel fügte hinzu: „Als Bonus können Sie dies bei den niedrigen Temperaturen auf dem Mond tun, ohne Energie zu verbrauchen, da Sie einen supraleitenden Magneten herstellen können, der es Ihnen ermöglicht, ein Schwebelager herzustellen, das keine kontinuierliche Zufuhr von elektrischer Energie erfordert. ”
Angel nannte die Lager eine kritische Komponente des Teleskops. „Ohne Luft auf dem Mond, die Wind erzeugt, gibt es keine Begrenzung für die Größe oder das Erreichen der Genauigkeit, die Sie benötigen, solange die Peilung in Ordnung ist“, sagte Angel.
Eine Entwicklung des Projekts seit Erhalt der NIAC-Finanzierung ist der Standort des Teleskops. Im ursprünglichen Vorschlag favorisierte Angels Team den Südpol des Mondes im Shackleton-Krater. Aber der Nordpol bietet tatsächlich ein besseres Sichtfeld für extragalaktische Beobachtungen, stellten sie fest, und Angel wartet auf Daten vom SMART-1-Mondorbiter der Europäischen Weltraumorganisation, der kürzlich mit der Vermessung der Polarregionen des Mondes begonnen hat.
„In den Polarregionen gibt es einige Krater, in denen die Sonne nie aufleuchtet und den Boden nie erwärmt“, sagte Angel. „Dort ist es extrem kalt, nicht weit über dem absoluten Nullpunkt. Anstatt das Teleskop unter solch feindlichen Bedingungen zu bauen, würden wir versuchen, das Teleskop auf einem der beiden Pole zu bauen, wo es fast durchgehend Sonnenschein geben würde. Dadurch würde Solarstrom zur Verfügung gestellt und die Bedingungen für die dort lebenden Menschen verbessert. Alles, was Sie tun müssen, ist einen zylindrischen Mylar-Schirm um das Teleskop zu legen, um zu verhindern, dass die Sonne jemals darauf trifft, und es kühlt sich ab wie am Boden der Krater.“
Bei der Infrarotbeobachtung ist ein kaltes Teleskop unerlässlich, um kältere und lichtschwächere Objekte im Weltraum sehen zu können. Ideal wäre es, das Teleskop nahe dem absoluten Nullpunkt (0 Grad Kelvin, -273 C, -460 F) zu haben. Da Quecksilber bei diesen Temperaturen gefriert, besteht eine weitere Herausforderung für das Projekt darin, die richtige Flüssigkeit zum Spinnen für den Spiegel zu finden. Einige der Kandidaten sind Ethan, Methan und andere kleine Kohlenwasserstoffe, wie die Flüssigkeiten, die auf Titan von der Huygens-Sonde gefunden wurden, die am 14. Januar auf dem größten Saturnmond landete.
„Aber diese Flüssigkeiten sind nicht glänzend, also müssen Sie herausfinden, wie Sie ein glänzendes Metall wie Aluminium direkt auf die Oberfläche der Flüssigkeit auftragen“, sagte Angel. „Wenn wir ein astronomisches Teleskop bauen, machen wir normalerweise die Spiegel aus Glas, das nicht viel reflektiert, und dann verdampft man Aluminium oder Silber auf das Glas. Auf dem Mond müssten wir das Metall nicht auf das Glas, sondern auf die Flüssigkeit verdampfen.“
Das ist einer der Forschungsschwerpunkte des NIAC-Awards. In ersten Studien konnte Angels Team ein Metall auf eine Flüssigkeit aufdampfen, allerdings noch nicht bei den erforderlichen kalten Temperaturen. Sie sind jedoch durch die bisherigen Ergebnisse ermutigt.
Angels Team ist untypisch für ein NIAC-Projekt, da es sich um eine internationale Zusammenarbeit handelt und NIAC keine internationalen Partner finanziert. „Es kommt vor, dass die weltweiten Experten für die Herstellung von rotierenden Flüssigkeitsspiegelteleskopen alle in Kanada sind. „Zum Glück sind sie sozusagen auf eigene Faust gekommen und sind begeistert von dem Projekt.“
Die kanadischen Mitglieder des Teams sind Emanno Borra von der Laval University in Quebec, der seit den frühen 1980er Jahren LMTs erforscht und baut, und Paul Hickson von der University of British Columbia, der mit Borras Hilfe das 6-Meter-LMT in gebaut hat Vancouver. Weitere Mitarbeiter sind Ki Ma von der University of Texas in Houston, ein Experte für kryogene Lager, Warren Davison von der University of Arizona, ein Maschinenbauexperte für Teleskope, und der Doktorand Suresh Sivanandam.
NIAC wurde 1998 gegründet, um revolutionäre Konzepte von Personen und Organisationen außerhalb der Weltraumbehörde zu erbitten, die die Missionen der NASA voranbringen könnten. Die Gewinnerkonzepte werden ausgewählt, weil sie „die Grenzen der bekannten Wissenschaft und Technologie verschieben“ und „Relevanz für die NASA-Mission zeigen“, so die NASA. Die Entwicklung dieser Konzepte wird voraussichtlich mindestens ein Jahrzehnt in Anspruch nehmen.
Angel sagt, dass der Erhalt des NIAC-Preises eine großartige Gelegenheit ist. „Wir werden zweifellos einen Vorschlag für Phase II (der NIAC-Finanzierung) schreiben“, sagte er. „Wir haben in Phase I identifiziert, was einige der kritischsten Probleme in diesem Projekt sind und welche praktischen Schritte wir jetzt unternehmen sollten. Wir haben einige Fragen gestellt und können einige einfache Tests durchführen, um zu sehen, ob es Showstopper gibt oder nicht.“
Die größte Hürde bei der Verwirklichung des Lunar Infrared Observatory liegt höchstwahrscheinlich komplett außerhalb von Angels Händen. „Der Mond ist ein sehr interessanter Ort, um Wissenschaft zu betreiben“, sagte Angel. 'Allerdings setzt die NASA einen erheblichen Ressourceneinsatz voraus, um zum Mond zurückzukehren.' Um die großen 20- oder 100-Meter-Teleskope zu bauen, müsste es natürlich eine bemannte Präsenz auf dem Mond geben. „Also“, fuhr Angel fort, „indem Sie Ihre Wissenschaft in diese Richtung lenken, werden Sie zum Schwanz eines sehr großen Hundes, über den Sie absolut keine Kontrolle haben“?
Angel hofft, dass die NASA und die Vereinigten Staaten die Dynamik der Vision for Space Exploration aufrechterhalten und zum Mond zurückkehren können. „Ich denke, letztendlich ist es etwas, zu dem Menschen den Drang haben und irgendwann tun werden, sich in den Weltraum zu bewegen“, sagte Angel. „Wenn das passiert, ist es wichtig, interessante Dinge zu tun, wenn wir dort angekommen sind. Wir müssen wissen, warum wir die Oberfläche dieses Planeten verlassen haben, um zum Mond zu fliegen. Wir erforschen, ja, aber wir können nicht nur den Mond erforschen, sondern ihn auch als Ort für wissenschaftliche Forschung jenseits des Mondes nutzen. Ich denke, es ist etwas, das im großen Ganzen passieren sollte.“
Nancy Atkinson ist freiberuflicher Autor und NASA-Botschafter für das Sonnensystem. Sie lebt in Illinois.
