Es ist erstaunlich, sich vorzustellen, dass es gerade jetzt Teleskope im Weltraum gibt, die ihren Blick stunden-, tage- und sogar wochenlang auf weit entfernte Objekte richten. Bereitstellung einer so stabilen und genauen Sichtweise, dass wir Details über Galaxien, Exoplaneten und mehr erfahren können.
Und dann, wenn die Zeit abgelaufen ist, kann das Raumschiff seinen Blick in eine andere Richtung lenken. Alles ohne Kraftstoffverbrauch.
Dies alles ist der Technologie von Reaktionsrädern und Gyroskopen zu verdanken. Lassen Sie uns darüber sprechen, wie sie funktionieren, wie sie sich unterscheiden und wie ihr Scheitern Missionen in der Vergangenheit beendet hat.
Hier ist die schnelle Antwort. Reaktionsräder ermöglichen es Raumfahrzeugen, ihre Ausrichtung im Weltraum zu ändern, während Gyroskope ein Teleskop unglaublich stabil halten, sodass sie mit hoher Genauigkeit auf ein Ziel zielen können.
Wenn Sie genug Folgen von Astronomy Cast gehört haben, wissen Sie, dass ich mich immer über Reaktionsräder beschwere. Es scheint immer der Punkt zu sein, an dem Missionen scheitern und sie vorzeitig beenden, bevor die Wissenschaft all-in ist.
Ich habe die Begriffe Reaktionsräder und Gyroskope in der Vergangenheit wahrscheinlich synonym verwendet, aber sie dienen etwas anderen Zwecken.
Eines der Hochleistungs-Reaktionsräder von Kepler, Dawn und mehreren anderen NASA-Missionen. Bildnachweis: Ball Aerospace
Lassen Sie uns zunächst über Reaktionsräder sprechen. Dies ist eine Art Schwungrad, das verwendet wird, um die Ausrichtung eines Raumfahrzeugs zu ändern. Denken Sie an ein Weltraumteleskop, das von Ziel zu Ziel wechseln muss, oder an ein Raumfahrzeug, das sich selbst zurück zur Erde drehen muss, um Daten zu übermitteln.
Sie werden auch als Schwungräder bezeichnet.
Im Weltraum gibt es keinen Luftwiderstand. Wenn sich ein Rad in eine Richtung dreht, dreht sich dank des dritten Newtonschen Gesetzes das gesamte Teleskop in die entgegengesetzte Richtung – wissen Sie, für jede Aktion gibt es eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion. Mit den Rädern, die sich in alle drei Richtungen drehen, können Sie das Teleskop in jede beliebige Richtung drehen.
Die Räder sind fixiert und drehen sich zwischen 1.000 und 4.000 Umdrehungen pro Minute und baut Drehimpuls im Raumfahrzeug auf. Um die Ausrichtung des Raumfahrzeugs zu ändern, ändern sie die Geschwindigkeit, mit der sich die Räder drehen.
Aufbau des Weltraumteleskops Kepler, einschließlich seiner 4 Reaktionsräder. Bildnachweis: NASA Ames / Ball Aerospace
Dies erzeugt ein Drehmoment, das bewirkt, dass das Raumfahrzeug seine Orientierung oder Präzession in eine gewählte Richtung verschiebt.
Diese Technologie arbeitet allein mit Strom, sodass Sie kein Treibmittel verbrauchen müssen, um die Ausrichtung des Teleskops zu ändern. Solange sich genügend Rotoren drehen, können Sie Ihre Richtung ständig ändern, indem Sie nur die Kraft der Sonne verwenden.
Reaktionsräder werden bei so ziemlich jedem Raumschiff verwendet, von winzigen Cubesats bis zum Hubble-Weltraumteleskop.
Mit drei Rädern können Sie Ihre Orientierung an jedem Ort in 3 Dimensionen ändern. Aber das LightSail 2 der Planetary Society hat nur ein einzelnes Schwungrad um die Ausrichtung seines Sonnensegels von der Kante zur Sonne und dann zur Breitseite zu verschieben, um seine Umlaufbahn allein durch Sonnenlicht zu erhöhen.
Foto des Segeleinsatzes von LightSail 2. Credit: The Planetary Society
Natürlich sind wir mit Reaktionsrädern am besten vertraut, weil sie versagt haben und Raumschiffe außer Betrieb genommen haben. Missionen wie FUSE und JAXAs Hayabusa.
Keplers Verlust von Reaktionsrädern und die geniale Lösung
Am bekanntesten ist, Kepler-Weltraumteleskop der NASA , gestartet am 9. März 2009, um Planeten zu finden, die andere Sterne umkreisen. Kepler war mit 4 Reaktionsrädern ausgestattet. Drei waren notwendig, um das Teleskop sorgfältig auf eine Himmelsregion auszurichten, und dann ein Reserverad.
Künstlerische Illustration der NASA-Raumsonde Kepler. Die Kepler-Mission ist fast vorbei und der letzte Treibstoff wird reserviert, damit die Daten nach Hause gelangen. Bild: NASA/Kepler
Es beobachtete, ob sich die Helligkeit jedes Sterns in seinem Sichtfeld um den Faktor 1 zu 10.000 ändert, was darauf hindeutet, dass ein Planet vor ihm vorbeiziehen könnte. Um Bandbreite zu sparen, übermittelte Kepler eigentlich nur Informationen über die Helligkeitsänderung der Sterne selbst.
Im Juli 2012 fiel eines der vier Reaktionsräder von Kepler aus. Es hatte immer noch drei, was das Minimum war, das es brauchte, um stabil genug zu sein, um seine Beobachtungen fortzusetzen. Und dann im Mai 2013 gab die NASA bekannt, dass Kepler mit einem anderen seiner Räder einen Fehler hatte. Es waren also nur noch zwei.
Dies brachte die wichtigsten wissenschaftlichen Operationen von Kepler zum Erliegen. Da nur zwei Räder in Betrieb waren, konnte er seine Position nicht mehr genau genug halten, um die Sternhelligkeit zu verfolgen.
Obwohl die Mission hätte scheitern können, entwickelten die Ingenieure eine ausgeklügelte Strategie, indem sie den leichten Druck der Sonne nutzten, um als Kraft in einer Achse zu wirken. Durch das perfekte Ausbalancieren des Raumfahrzeugs im Sonnenlicht konnten sie die anderen beiden Reaktionsräder weiterhin verwenden, um weiter Beobachtungen zu machen.
Infografik, die zeigt, wie das Weltraumteleskop Kepler trotz zwei kaputter Reaktionsräder weiter nach Planeten suchte. Bildnachweis: NASA Ames/W Stenzel
Aber Kepler war gezwungen, sich den winzigen Punkt am Himmel anzusehen, der zufällig mit seiner neuen Ausrichtung übereinstimmte, und verlagerte seine wissenschaftliche Mission darauf, nach Planeten zu suchen, die rote Zwergsterne umkreisen. Es verbrauchte seinen bordeigenen Treibstoff, als er zur Erde zurückkehrte, um Daten zu übertragen. Kepler ging am 30. Oktober 2018 schließlich der Treibstoff aus und die NASA beendete ihre Mission.
Zur gleichen Zeit, als Kepler mit seinen Reaktionsrädern zu kämpfen hatte, hatte die Dawn-Mission der NASA Probleme mit genau den gleichen Reaktionsrädern.
Dawns Verlust der Reaktionsräder
Dawn wurde am 27. September 2007 mit dem Ziel gestartet, die beiden größten Asteroiden des Sonnensystems zu erkunden: Vesta und Ceres. Die Raumsonde ging im Juli 2011 in eine Umlaufbahn um Vesta und verbrachte das nächste Jahr damit, die Welt zu studieren und zu kartieren.
Künstlerische Illustration der NASA-Raumsonde Dawn mit ihrem Ionenantriebssystem, die sich Ceres nähert. Bild: NASA/JPL-Caltech.
Es sollte Vesta verlassen und sich auf den Weg machen zu Ceres im August 2012 , aber die Abreise verzögerte sich um mehr als einen Monat wegen Probleme mit seinen Reaktionsrädern . Ab 2010 stellten die Ingenieure immer mehr Reibung in einem seiner Räder fest, so dass das Raumfahrzeug auf die drei funktionierenden Räder umgestellt wurde.
Und dann, im Jahr 2012, begann auch das zweite seiner Räder an Reibung zu gewinnen, und das Raumfahrzeug hatte nur noch zwei verbleibende Räder. Nicht genug, um es allein mit Strom vollständig im Weltraum ausgerichtet zu halten. Dies bedeutete, dass es seinen Hydrazin-Treibstoff verwenden musste, um seine Ausrichtung während der restlichen Mission beizubehalten.
Drei Ansichten des Eisvulkans Ahuna Mons. Oben ist eine Rekonstruktion des Vulkans aus topographischen Daten, das Bild links wurde von Dawns Framing Camera aufgenommen und das Falschfarbenbild rechts zeigt das Vorhandensein von Natriumkarbonat in Rot und Grün. Bild: Von NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA/ASI/INAF
Dawn schaffte es nach Ceres, und durch den sorgfältigen Einsatz von Treibstoff war es in der Lage, diese Welt und ihre bizarren Oberflächenmerkmale zu kartieren. Ende 2018 hatte das Raumschiff schließlich keinen Treibstoff mehr, und es war nicht mehr in der Lage, seine Ausrichtung beizubehalten, Ceres zu kartieren oder seine Signale zur Erde zurückzusenden.
Die Raumsonde wird weiterhin Ceres umkreisen und hilflos taumeln.
Es gibt eine lange Liste von Missionen, deren Reaktionsräder versagt haben. Und jetzt glauben Wissenschaftler zu wissen, warum. Da war ein Papier veröffentlicht im Jahr 2017 die festgestellt haben, dass die Umgebung des Weltraums selbst das Problem verursacht. Wenn geomagnetische Stürme an der Raumsonde vorbeiziehen, erzeugen sie Ladungen an den Reaktionsrädern, die die Reibung erhöhen und sie schneller abnutzen.
Ich setze einen Link zu a tolles Video von Scott Manley das geht genauer.
Hubble-Weltraumteleskop und seine Gyroskope
Das Hubble-Weltraumteleskop ist mit Reaktionsrädern ausgestattet, um seine Gesamtausrichtung zu ändern und das gesamte Teleskop um die Geschwindigkeit eines Minutenzeigers einer Uhr zu drehen – 90 Grad in 15 Minuten.
Aber um auf ein einzelnes Ziel gerichtet zu bleiben, verwendet es eine andere Technologie: Gyroskope.
Hubble-Weltraumteleskop der NASA. Credits: NASA
Es gibt 6 Gyroskope auf Hubble die sich mit 19.200 Umdrehungen pro Minute drehen. Sie sind groß, massiv und drehen sich so schnell, dass ihre Trägheit jeglichen Ausrichtungsänderungen des Teleskops standhält. Es funktioniert am besten mit drei – passend zu den drei Raumdimensionen – kann aber mit zwei oder sogar mit einer arbeiten, mit weniger genauen Ergebnissen.
Im August 2005 nutzten sich die Gyroskope von Hubble ab und die NASA wechselte in den Zwei-Gyroskop-Modus. Im Jahr 2009 besuchten NASA-Astronauten während der Wartungsmission 4 das Weltraumteleskop und ersetzten alle sechs Gyroskope.
STS61 war die erste Wartungsmission für das Hubble-Weltraumteleskop. Bildnachweis: NASA
Dies ist wahrscheinlich das letzte Mal, dass Astronauten Hubble besuchen werden, und seine Zukunft hängt davon ab, wie lange diese Gyroskope halten.
Was ist mit James Webb?
Ich weiß, dass die bloße Erwähnung des James Webb-Weltraumteleskops jeden nervös macht. Mehr als 8 Milliarden US-Dollar wurden bisher investiert und sollen in etwa zwei Jahren auf den Markt kommen. Es wird zum Punkt Erde-Sonne L2 Lagrange fliegen, der sich etwa 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt befindet.
Illustration des James Webb-Weltraumteleskops der NASA. Credits: NASA
Im Gegensatz zu Hubble gibt es keine Möglichkeit, den James Webb auszufliegen, um ihn zu reparieren, wenn etwas schief geht. Und wenn man bedenkt, wie oft Gyroskope ausgefallen sind, scheint dies wirklich eine gefährliche Schwachstelle zu sein. Was ist, wenn die Kreisel von James Webb versagen? Wie können wir sie ersetzen.
James Webb hat Reaktionsräder an Bord. Sie sind gebaut von Rockwell Collins Deutschland , und sie ähneln den Reaktionsrädern an Bord der NASA-Missionen Chandra, EOS Aqua und Aura – also eine andere Technologie als die gescheiterten Reaktionsräder auf Dawn und Kepler. Die Aura-Mission sorgte 2016 für Schrecken, als sich eines ihrer Reaktionsräder drehte, aber es wurde nach zehn Tagen geborgen.
Das Hemisphärische Resonator-Gyroskop (HRG), auch Weinglas-Gyroskop oder Pilz-Gyroskop genannt, verwendet eine dünne halbkugelförmige Festkörperschale, die durch einen dicken Schaft verankert ist. Bildnachweis: Sagem CC BY 4.0
James Webb verwendet keine mechanischen Gyroskope wie Hubble, um das Ziel zu erreichen. Stattdessen wird eine andere Technologie verwendet, die als hemisphärische Resonator-Gyros oder HRGs bezeichnet wird.
Diese verwenden eine Quarzhalbkugel, die sehr genau geformt wurde, damit sie auf sehr vorhersehbare Weise schwingt. Die Halbkugel ist von Elektroden umgeben, die die Resonanz antreiben, aber auch geringfügige Änderungen ihrer Ausrichtung erkennen.
Ich weiß, das klingt irgendwie nach Kauderwelsch, als würde es von Einhornträumen angetrieben, aber Sie können dies selbst erleben.
Halte ein Weinglas und schnippe es dann mit deinem Finger, sodass es klingelt. Das Klingeln ist das Weinglas, das sich hin und her biegt Resonanzfrequenz . Wenn Sie das Glas drehen, dreht sich auch das Vor- und Zurückbiegen, aber es hinkt der Ausrichtung auf sehr vorhersehbare Weise hinterher.
Wenn diese Schwingungen in einem Quarzkristall Tausende Male pro Sekunde passieren, ist es möglich, winzige Bewegungen zu erkennen und dann zu erklären.
So wird James Webb seine Ziele festhalten.
Künstlerische Darstellung des Cassini-Orbiters beim Eintritt in die Saturnatmosphäre. Bildnachweis: NASA/JPL
Diese Technologie ist bei der Cassini-Mission bei Saturn geflogen und hat perfekt funktioniert. Tatsächlich hatte die NASA bis Juni 2011 berichtet, dass diese Instrumente 18 Millionen Stunden ununterbrochenen Betrieb im Weltraum auf mehr als 125 verschiedenen Raumfahrzeugen ohne einen einzigen Ausfall erlebt hatten. Es ist eigentlich sehr zuverlässig.
Ich hoffe, das klärt die Sache auf. Reaktions- oder Schwungräder werden verwendet, um Raumfahrzeuge im Weltraum neu auszurichten, sodass sie ohne Treibstoff in verschiedene Richtungen ausgerichtet werden können.
Gyroskope werden verwendet, um ein Weltraumteleskop genau auf ein Ziel auszurichten, um die besten wissenschaftlichen Daten zu liefern. Sie können mechanische Spinnräder sein oder die Resonanz vibrierender Kristalle nutzen, um Trägheitsänderungen zu erkennen.
