Webb-Teleskop: Die verblüffenden Details seiner 10-Milliarden-Dollar-Konstruktion

Als ich die ersten Farbfotos sah, die vom Webb-Teleskop veröffentlicht wurden, musste ich daran denken, dass der Pulitzer-Preis 2022 für erklärende Berichterstattung an Natalie Wolchover vom Quata-Magazin für ihren Artikel über das Webb-Teleskop verliehen wurde.

Dieser wissenschaftliche Bericht ist lesenswert——

Um auf die Geburt des Universums zurückzublicken und das Licht der ersten Sterne zu sehen, muss man zunächst einen Spiegel von der Größe eines Hauses schleifen. Seine Oberfläche muss so glatt sein, dass selbst bei einer Vergrößerung auf die Größe eines ganzen Kontinents keine Gipfel oder Täler höher als knöchelhoch vorhanden wären. Nur ein so großer und flacher Spiegel kann das schwache Licht der entferntesten Galaxien am Himmel sammeln und fokussieren …

Bildquelle: nasa.gov

„Selbst mit einem so speziellen Spiegel reicht es noch nicht aus.

Niemand hat je Galaxien bei ihrer Entstehung beobachtet, weil das Licht der uralten Sterne im Laufe der Milliarden Jahre, die sie durch das expandierende Universum zurückgelegt haben, enorm gedehnt wurde. Das ultraviolette und sichtbare Licht der entferntesten Sterne wurde bis zu seinem Eintreffen hier um etwa den Faktor 20 auf Infrarot ausgedehnt. Infrarot ist aber auch Licht, das von vibrierenden Atomen ausgestrahlt wird – das, was wir ‚Wärme‘ nennen. Dieselbe Infrarotstrahlung geht von unserem Körper, unserer Atmosphäre und dem Boden unter unseren Füßen aus. Diese lokalen Wärmequellen übertönen das schwache Leuchten der alten Sterne vollständig. Um diese alten Sterne sehen zu können, muss der große Spiegel des Teleskops sehr kalt sein. Er muss in den Weltraum geschossen werden.

„Es gab ein Problem. Keine Rakete konnte einen Spiegel tragen, der so groß wie ein Haus war. Deshalb musste der Spiegel zusammengeklappt werden.

„Um gefaltet zu werden, muss der Spiegel zunächst in eine wabenförmige Anordnung mehrerer Linsen segmentiert werden.

Bildquelle: nasa.gov

„Um gemeinsam zu fokussieren und ein klares Bild zu erzeugen, müssen die Spiegel nach dem Ausklappen im Raum nahezu perfekt ausgerichtet werden, wozu extrem hochpräzise Motoren erforderlich sind. Diese Motoren können die Spiegel sanft verschieben, und die Bewegungsdistanz kann so präzise wie die halbe Breite des Virus sein, um sicherzustellen, dass alle Spiegel an ihrem Platz installiert sind.“

„Ball Aerospace bietet Aktuatoren an, die den Spiegel mit einer Präzision von 10 Nanometern bewegen, was nur einem Zehntausendstel der Breite eines menschlichen Haares entspricht. Diese Motoren arbeiten nach dem Prinzip der ‚Biegung‘, d. h. der ‚Umwandlung großer Bewegungen in kleine Bewegungen‘.“

„Das gesamte Webb-Teleskop wiegt nur etwa 2 % des Gewichts eines großen erdgebundenen Teleskops.“

Die Spiegel bestehen aus Beryllium, einem leichten, starken und starren Material. Es wird in Pulverform geliefert, ist giftig und nervig, aber es ist das einzige, was funktioniert. Das Pulver wird in Ohio zu Blöcken gepresst und anschließend in Alabama geschnitten. Anschließend werden die Spiegel mit Gold beschichtet, das Infrarotlicht extrem gut reflektiert. Abschließend werden die Spiegel in einer eigens für dieses Projekt errichteten Fabrik in Kalifornien poliert.

Goldbeschichtete Linsen. Bildquelle: nasa.gov

Aber das ist noch nicht genug.

„Selbst wenn man sie in den Weltraum strahlte, würden Erde, Mond und Sonne immer noch zu viel Wärme abstrahlen, als dass ein Teleskop das schwache Funkeln der am weitesten entfernten Strukturen im Universum erkennen könnte.

Es sei denn, das Teleskop ist auf einen bestimmten Punkt gerichtet – den zweiten Lagrange-Punkt. An diesem Punkt befinden sich Mond, Erde und Sonne in der gleichen Richtung. Würde man einen riesigen Sonnenschutz von der Größe eines Tennisplatzes aufstellen, könnte das Teleskop diese drei Himmelskörper gleichzeitig blockieren. Auf diese Weise könnte das Teleskop schließlich in einen extrem kalten Zustand (-223 °C) eintreten und die schwache Hitze der Anfänge des Universums wahrnehmen.

Es gibt fünf Lagrange-Punkte. Um eine Beobachtung zu gewährleisten, muss sich das Teleskop am zweiten Lagrange-Punkt (L2) befinden und vom Sonne-Erde-System abgewandt sein. Bildquelle: nasa.gov

Der Sonnenschutz ist sowohl die einzige Hoffnung des Infrarotteleskops als auch seine Achillesferse.

Damit der Sonnenschutz im entfalteten Zustand groß genug und gleichzeitig nicht zu schwer ist, um die Tragfähigkeit der Rakete zu überschreiten, kann er nur aus dünnem Gewebe gefertigt werden. Ingenieure wissen, dass dünnes Gewebe „unsicher“ ist und seine Bewegung nicht vollständig kontrolliert oder vorhergesagt werden kann. Bleibt der Sonnenschutz im entfalteten Zustand hängen, wird das gesamte Teleskop zu Weltraumschrott.“

Für den Sonnenschutz wählte das Team Kapton, einen glatten, silbernen Kunststoff, der dem Inneren einer Kartoffelchipstüte ähnelt und nur etwa den Durchmesser eines menschlichen Haares hat. Kapton ist sehr reißfest, daher sind zur Gewährleistung der Redundanz mehrere Schichten erforderlich – das Team entschied sich für die Installation von fünf. Ein System aus Auslegern, Kabeln und Schnüren wird alle fünf Schichten vollständig entfalten, trennen und festbinden.

Wie schwierig dies war, beschrieb Chefingenieur Michael Menzel. Bei einem starren Objekt, wie einer Tür, befestigt man ein Scharnier und kann vorhersagen, wie es sich bewegen wird. Kinderleicht. Aber jetzt bekommt man eine weiche Decke. Eine Decke über das Bett schieben und versuchen, vorherzusagen, welche Form sie annehmen wird? Es ist furchterregend. Dasselbe passiert mit den Seilen – jedes Seil, das den Sonnenschirm straff hält, kann sich auf Millionen verschiedene Arten bewegen. Und was noch schlimmer ist: In der Schwerelosigkeit können diese Dinge an Orte gelangen, an die man sie nicht haben will.“

Sonnenschirm, der sich in fünf Lagen falten lässt. Bildquelle: webbtelescope.org

Um das Jahr 2004 herum kamen zwei NASA-Ingenieure in Menzels Büro und sagten, sie hätten eine Idee. Einer von ihnen nahm ein Stück Papier von Menzels Schreibtisch und faltete es zu einem Z. Der Sonnenschutz ließe sich in viele solcher Z-Formen oder „Ziehharmonikafalten“ falten. Menzel dachte, es würde funktionieren.

Das nächste Problem bestand darin, den Sonnenschutz in seiner Ziehharmonika-gefalteten Position zu halten, bis er ausgefahren werden konnte. Andy, ein anderer Ingenieur, fand die Lösung: 107 Haltestifte, die sich wie Katzenkrallen einfahren lassen.

„Die Stifte stellen ein weiteres heikles Problem dar: Sie erzeugen Nadellöcher. Wenn die Nadellöcher in allen fünf Kapton-Schichten nach dem Abrollen zufällig in einer Linie liegen, lassen sie Sonnenlicht durch und erhitzen die Optik des Teleskops.

Menzel sagte: „Es ist ein kleines Detail, über das man erst nachdenkt, wenn man damit anfängt. Oh mein Gott, es ist möglich, fünf Nadellöcher in einer Reihe anzuordnen. Es klingt nicht nach einer großen Sache, aber es brachte Andy dazu, seinen Kummer im Trinken zu ertränken.“ Zum Glück hat er es später herausgefunden. Andy testete lange und fleißig und fand schließlich eine Lösung, die sicherstellte, dass die Nadellöcher auf den fünf Lagen Kapton-Sonnenblenden unterschiedlicher Größe, egal wie sie entfaltet wurden, nicht in einer geraden Linie angeordnet waren. „

…

Immer wieder tauchen kleine Probleme nacheinander auf. Infolgedessen liegt das Webb-Teleskop 14 Jahre hinter dem Zeitplan und 20 Mal über dem Budget.

Vor dem Start herrschte bei allen an den Arbeiten Beteiligten noch Nervosität.

Denn das Webb-Teleskop ist eine einmalige Sache.

Zu diesem Zeitpunkt befand sich das Hubble-Teleskop in einer niedrigen Erdumlaufbahn, nur 559 Kilometer von uns entfernt. Das Teleskop wurde „kurzsichtig“, also nahmen die Astronauten einfach einen Schraubenschlüssel und flogen ins All, um es zu reparieren.

Aber das Webb-Teleskop ist 1,5 Millionen Kilometer von uns entfernt. Wenn etwas schief geht, können Wissenschaftler und Ingenieure nur weinen und den Kopf in den Händen halten, ohne andere Optionen.

„Wir haben alles getan, um alle Fehler zu finden, alle Tests und Übungen durchzuführen, und jetzt stellen wir ein mehrere Milliarden Dollar teures Teleskop auf einen Haufen Sprengstoff“, sagte John Mather, ein Astrophysiker und Nobelpreisträger und leitender Wissenschaftler des Projekts.

Nach einem erfolgreichen Start wird das Teleskop einen weiteren Monat brauchen, um den zweiten Lagrange-Punkt zu erreichen. Unterwegs sind Hunderte von Schritten nötig, um den Spiegel und den Sonnenschirm Stück für Stück zu entfalten, bis die riesige vergoldete Spiegel-„Blume“ auf einem noch größeren Sonnenschirm-„Silberblatt“ erblüht.

Nach einem steinigen Weg werden Sie schließlich die Sterne erreichen.

Bildquelle: webbtelescope.org

In diesem Moment schwebt das Webb-Teleskop ruhig im dunklen und kalten Weltraum, mit der Sonne, dem Mond und dem schwachen blauen Punkt allen menschlichen Lebens dahinter. Die Informationen, die es in der Zukunft liefert, werden das menschliche Verständnis des Universums erweitern oder sogar untergraben.

Das Obige ist nur ein kleiner Teil der Geschichte hinter diesem Farbfoto.

Webbs erstes „Deep Field of the Universe“-Foto ist das klarste und älteste Bild des Universums, das jemals von Menschen im Infrarotbereich aufgenommen wurde. Bildquelle: webbtelescope.org

Quelle: You Shiyous Privatland

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Das Titelbild und die Bilder in diesem Artikel stammen von der offiziellen Website der NASA und von webbtelescope. Der Bildinhalt ist nicht zur Reproduktion autorisiert