James Webb Space Telescope

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Das James Webb Space Telescope, abgekürzt JWST, ist ein in Vorbereitung befindliches Weltraumteleskop als Gemeinschaftsprojekt von NASA, ESA und CSA. Das Teleskop sollte zunächst Next Generation Space Telescope heißen, bis man sich 2002 für eine Benennung nach dem früheren NASA-Leiter James Edwin Webb entschied. Es kann als wissenschaftlicher Nachfolger des Hubble-Teleskops gesehen werden und soll dessen Leistungen weit übertreffen. Im Gegensatz zu Hubble, das im sichtbaren, nahen ultravioletten und nahem infraroten Spektrum arbeitet, soll JWST fast ausschließlich Infrarotastronomie betreiben. Die Gesamtmasse des Teleskopes soll beim Start inklusive Treibstoff etwa 6,2 Tonnen betragen.[1]

Europa ist am JWST mit 300 Millionen Euro beteiligt. Darin ist der Start mit einer Ariane-5-Rakete enthalten.[2]

Aufgaben[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der (nah-)infrarote Spektralbereich zeigt bei manchen Untersuchungsobjekten deutliche Vorteile

Das JWST hat vier wissenschaftliche Hauptaufgaben:[1]

  • Es soll nach Licht von den ersten Sternen und Galaxien nach dem Urknall suchen.
  • Allgemein sollen Struktur und Entwicklung von Galaxien untersucht werden.
  • Das Verständnis der Struktur von Sternen und Planetensystemen soll erweitert werden
  • Konkrete Planetensysteme und ihre Eignung für Leben sollen untersucht werden.

Aufgrund einer Kombination von Rotverschiebung, Verdunkelungen durch galaktische Staubnebel und niedriger Temperaturen vieler Untersuchungsobjekte arbeitet das JWST auf den Wellenlängen 0,6–28 µm im Frequenzspektrum des infraroten Lichtes.[1] Nach Ankunft in der Umlaufbahn und einer Vorbereitungszeit von sechs Monaten sollen die wissenschaftlichen Projekte mit dem Teleskop beginnen, die es im derzeit geplanten Umfang für fünf Jahre in Beschlag nehmen sollen. Eine Ausweitung der wissenschaftlichen Aufgaben auf zehn Jahre wird vorgesehen.

Missionsverlauf[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Planung und Vorbereitung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Ursprünglich war ein Start im Jahr 2014 mit einer Ariane 5 geplant.[3] Für Bau und zehnjährigen Betrieb waren nach offiziellen Angaben die notwendigen 3,3 Milliarden Euro auf US-amerikanischer Seite gesichert. Aufgrund der enorm gestiegenen Kosten empfahl der Wissenschaftsausschuss des US-Repräsentantenhauses jedoch am 13. Juli 2011, den Bau des Teleskops zu stoppen. Die Baukosten wurden von der NASA zu der Zeit auf 8,7 Milliarden Dollar geschätzt.[4] Bis dahin wurden etwa 3 Milliarden Dollar (2,6 Mrd €) ausgegeben, und etwa 75 % der notwendigen Komponenten waren angeschafft, darunter die meisten wissenschaftlichen Instrumente. Auch alle Elemente des Primärspiegels waren fertiggestellt.

Im Dezember 2014 galt die Finanzierung inkl. Betriebskosten der ersten fünf Jahre wieder als gesichert, und ein Start wurde frühestens 2018 erwartet.[5] Im November 2015 wurde mit der Endfertigung begonnen.[6] Im November 2016 konnten am fertig montierten Spiegel erste Messungen der optischen Eigenschaften durchgeführt werden.[7]

Am 18. Dezember 2015 wurde der Liefervertrag für die Ariane-5-Rakete unterzeichnet. Der Flug ist nun für Frühjahr 2019 geplant.[8]

Start und Flug bis zum Einsatzort[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der Start der Ariane-5-Rakete soll vom Centre Spatial Guyanais in Französisch-Guayana aus erfolgen. Das Teleskop muss für den Transport in der Rakete zusammengefaltet werden und soll in der Zeit, während es auf dem Weg zum Beobachtungsorbit ist, in vielen Teilschritten wieder entfaltet werden. Die beiden Raketenstufen sollen das Teleskop zunächst auf Kurs bringen. Nach dem Abtrennen der Raketenstufen und etwa eine halbe Stunde nach dem Start soll das Solarpanel aus fünf Segmenten entfaltet werden. Dadurch wäre die Stromversorgung für den Flug gesichert, und die systemeigene Lageregelung könnte ihre Funktionen aufnehmen. Die Aufgabe bestünde dabei nicht nur in Kontrolle des Kurses, sondern auch in der Hitzekontrolle, damit die Sonnenstrahlung keine Funktionen beeinträchtigt. Nach ungefähr einem Tag soll eine Mondumlaufbahn erreicht und die Parabolantenne ausgefahren werden. Ab dem dritten Tag sollen zuerst die beiden Hauptträger für das Sonnensegel ausgeklappt werden. Am vierten Tag soll das Teleskop angehoben werden, um es von den übrigen Teilen wie Antrieb und Recheneinheiten thermisch abzuschirmen. Anschließend sollen die Schutzhüllen für die Folien geöffnet und die beiden Seitenmasten in Teleskopbauweise ausgeschoben werden, um den Sonnenschild zu entfalten. Als Nächstes sollen die Folien gestrafft und separiert werden, sodass zwischen jeder Lage ein Zwischenraum entsteht, der es ermöglicht, dass Wärmestrahlung an die Umgebung abgegeben werden kann. Die komplizierte Entfaltung des Sonnenschilds soll ungefähr bis zum elften Tag dauern; dann könnte der Sekundärspiegel ausgeklappt und die Kühlelemente der Instrumente ausgefahren werden. Vom zwölften bis zum vierzehnten Tag sollen die Seitenteile des Hauptspiegels in die Endposition ausgeklappt werden. In der Zeit bis zum 23. Tag sollen die Instrumente soweit abkühlen, dass sie ihre Funktion aufnehmen können. Am 29. Tag soll das System eine Kurskorrektur unternehmen, um in seine Umlaufbahn um L2 einzuschwenken. Die Spiegel sollen anschließend präzise ausgerichtet werden, um mit der wissenschaftlichen Arbeit beginnen zu können.[9] Für die Abkühlung aller Komponenten bis auf Betriebstemperatur, die Kalibrierung der Instrumente und Feinjustierung der Spiegel werden sechs Monate Vorbereitungszeit angesetzt; danach werden die ersten wissenschaftlichen Daten erwartet.

Umlaufbahn[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Position der Lagrange-Punkte im System Erde-Sonne

Um sicherzustellen, dass die Beobachtungen nicht von der Infrarotstrahlung (Wärmestrahlung) des Teleskops und der Instrumente selbst verfälscht werden, muss die gesamte Beobachtung in einem sehr kalten Zustand und besonders geschützt vor Sonnenstrahlen bei unter −220 °C (50 Kelvin) ablaufen.[1] Das JWST verfügt über einen 21,2 m × 14,2 m großen, mehrlagigen Sonnenschild,[1] der das Teleskop vor den Wärmestrahlen von Sonne, Mond und Erde abschirmt. Das MIRI (Mid Infrared Instrument) wird aktiv gekühlt, um eine Temperatur von unter 15 Kelvin (−258,15 °C) zu erreichen.

Das Teleskop soll in eine solare Umlaufbahn am Lagrange-Punkt L2 des Erde-Sonne-Systems gebracht werden, etwa 1,5 Millionen km von der Erde entfernt auf der sonnenabgewandten Seite. Das ist ungefähr viermal so weit entfernt wie der Mond.[1] Die Hauptquellen der Infrarotstörstrahlung, Sonne und Erde, liegen aus Sicht des Teleskops in der gleichen Richtung, sodass der Strahlungsschild so effektiv wie möglich eingesetzt werden kann. Im Gegensatz zu einer anderen Umlaufbahn um die Sonne ist die Entfernung zur Erde bei dieser Vorgehensweise vergleichsweise gering, sodass die Datenübertragungsrate relativ hoch ist. Die Positionierung um den L2-Punkt erlaubt längere Belichtungs- und Beobachtungszeiten. Das Hubble-Teleskop umkreist hingegen die Erde, weshalb die maximale Belichtungszeit etwa 40 Minuten beträgt, da beobachtete Sterne danach – vom Hubble-Teleskop aus gesehen – unter dem Erdhorizont verschwindet. Dabei muss das Teleskop ständig zum Beobachtungspunkt mit Drallrädern nachgeführt werden. Dies entfällt bei der Positionierung um den L2-Punkt. Ein positiver Nebeneffekt dieser Umlaufbahn ist, dass das Teleskop weniger gefährdet ist, von Weltraumschrott getroffen zu werden.

Der Orbit ist auf Dauer nicht stabil, weshalb der Kurs in regelmäßigen Abständen durch Raketentriebwerke korrigiert werden muss. Der mitgeführte Treibstoff soll für ca. zehn Jahre reichen, bei einer geplanten Mindestlebensdauer von fünf Jahren. Ein Nachteil der Positionierung des Teleskops um den L2-Punkt ist die im Vergleich beispielsweise zum Hubble-Teleskop große Entfernung zur Erde. Während der vorgesehenen Nutzungsdauer sind bisher keine Reparatur- und Wartungsmissionen vorgesehen; es gibt jedoch eine Vorrichtung, die eine nachträgliche Ergänzung der Treibstoffvorräte durch eine Robotermission ermöglichen würde.

Aufbau[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das gesamte System besteht aus drei Hauptkomponenten: dem eigentlichen Teleskop, dem Sondenkörper und dem Sonnenschild.

Sondenkörper[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der Sondenkörper (Spacecraft Bus) stellt die grundlegenden Funktionen für den Betrieb der Sonde bereit. Seine wichtigsten Teile sind die elektrische Energieversorgung, die Lagekontrolle, das Kommunikationssystem, das Kontrollsystem, der Antrieb und die Wärmeregulierung. Die Sonde verfügt über Solarmodule zur Stromversorgung und eine Hochgewinnantenne. Zur Lagekontrolle hat die Sonde drei Sternsensoren und eine Feinsteuerung.

Sonnenschild[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der Sonnenschild hat die Aufgabe, Infrarot- bzw. Wärmestrahlung vom Teleskop und den Instrumenten fernzuhalten. Dieser Sonnenschild besteht aus fünf Lagen Kapton, einem Polyimid, das mit Aluminium und dotiertem Silizium beschichtet wurde. Fünf Lagen Kaptonfolie trennen das Teleskop nicht nur von Sonneneinstrahlung, sondern auch vom Sondenkörper und deren Elektronik, die eine gewisse Mindesttemperatur haben muss, um zuverlässig zu arbeiten. Ein komplizierter Mechanismus sichert die Folien während des Starts und sorgt für die korrekte Entfaltung auf dem Weg zum Ziel.

Optik[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Vergleich der Primärspiegel des Hubble-Teleskops und des James Webb Space Telescopes
Strahlengang des JWST
Spiegelelemente des JWST bei der Vorbereitung eines Kältetests
Das JWST mit allen 18 Spiegeln

Das JWST ist als Korsch-Teleskop (TMA – Three-Mirror-Anastigmat) aufgebaut. Die effektive Brennweite beträgt 131,4 Meter.[1]

Der Hauptspiegel hat 6,5 Meter Durchmesser und besteht aus 18 sechseckigen Segmenten, die sich erst im All entfalten. Die Spiegel bestehen aus goldbeschichtetem Beryllium,[1] das hauptsächlich wegen seiner geringen Dichte, seiner hohen Festigkeit und seines niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten gewählt wurde. Das Flächengewicht der Berylliumplatten beträgt 10,3 kg/m² (einschließlich der Spiegelmontierung 15,6 kg/m²). Die einzelnen Segmente können mit Aktuatoren genau ausgerichtet werden. Jedes Segment ist 1,3 Meter groß, bei einer Masse von 20 Kilogramm. Gefertigt wurden sie von Ball Aerospace in Boulder (Colorado). Die letzte Platte verließ am 7. Februar 2007 die Fertigung, um geschliffen und poliert zu werden.

Der Sekundärspiegel lässt sich in sechs Freiheitsgraden ausrichten und ist an einer faltbaren Haltestruktur angebracht. Über den Tertiärspiegel und den Feinausrichtungsspiegel wird das Licht auf die Instrumente in der Bildebene geleitet.

Bis Anfang Februar 2016 wurden alle 18 Segmente an dem Satelliten installiert.[10]

Instrumente[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Ein Computermodell der NIRCam
Modell des MIRI
  • NIRCam (Near Infrared Camera) ist ein Projekt der NASA und detektiert Licht bzw. Infrarotstrahlung mit einer Wellenlänge zwischen 0,6 und 5 µm. Es soll vor allem zur Erforschung der ersten nach dem Urknall entstandenen Sterne eingesetzt werden. Das Sichtfeld der Kamera besteht aus zwei Quadraten (jeweils 2,3′ × 2,3′ (Bogenminuten)), wovon eines Strahlung mit einer Wellenlänge kleiner und das andere größer als 2,5 µm detektiert. Die Winkelauflösung beträgt 0,034″ bzw. 0,068″ (Bogensekunden).
  • MIRI (Mid Infrared Instrument) ist für Infrarotstrahlung mit Wellenlängen zwischen 5 und 27 µm empfindlich und besteht aus einer Kamera mit drei identischen 1024 × 1024-Pixel-Detektoren und einem Spektrographen. Die Winkelauflösung beträgt ca. 0,19″.

Zusammenarbeit[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Logo des JWST

Die NASA, die ESA und die CSA kooperieren seit 1996 beim Projekt des neuen Weltraumteleskops. Der Anteil der Beteiligung der ESA sowohl bei Konstruktion als auch Inbetriebnahme wurde 2003 durch die Mitgliedstaaten bestätigt; im Jahr 2007 wurde offiziell eine Vereinbarung zwischen NASA und ESA dazu getroffen. Im Austausch für eine vollständige Partnerschaft sowie Vertretung und Zugriff ihrer Astronomen auf das Observatorium stellt die ESA das NIRSpec, das Optical Bench Assembly des MIRI, den Raketenstart durch die Ariane-5 ECA und Personal zum Betrieb des Teleskops zur Verfügung.[2][11] Die kanadische CSA wird den Fine-Guidance-Sensor und den Near-Infrared-Imager-Slitless-Spektrographen stellen[12] und zusätzlich auch Personal zum Betrieb des Teleskops. 15 Prozent der Beobachtungszeit stehen der ESA für eigenständige Projekte zur Verfügung.

Teilnehmer in alphabetischer Reihenfolge:

Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

 Commons: James Webb Space Telescope – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. a b c d e f g h The James Webb Space Telescope. NASA; abgerufen am 13. Mai 2012 (englisch).
  2. a b European agreement on James Webb Space Telescope’s Mid-Infrared Instrument (MIRI) signed. In: eesa. media centre space sciense. 9. Juni 2004; abgerufen am 31. Juli 2011.
  3. ABOUT JWST. In: jwst.nasa.gov. Abgerufen am 27. April 2010.
  4. cris: 8,7 Milliarden Dollar In: Süddeutsche Zeitung. München 24. August 2011, S. 16.
  5. James Webb vorerst gerettet (HTML) Deutschlandfunk. 27. April 2012. Abgerufen am 28. September 2012.
  6. Martin Holland: Hubble-Nachfolger: NASA beginnt Endfertigung des James-Webb-Weltraumteleskops. heise.de, 30. November 2015; abgerufen am 29. November 2016.
  7. NASA Completes Webb Telescope Center of Curvature Pre-test. NASA, 2. November 2016; abgerufen am 29. November 2016.
  8. NASA’s James Webb Space Telescope to be Launched Spring 2019. NASA, 28. September 2017; abgerufen am 1. Oktober 2017.
  9. Hubble Space Telescope: Webb Telescope Deployment Sequence. 30. Juni 2016; abgerufen am 21. April 2017.
  10. NASA's James Webb Space Telescope Primary Mirror Fully Assembled. NASA, 4. Februar 2016; abgerufen am 11. Februar 2016 (englisch).
  11. ESA Science & Technology: Europe’s Contributions to the JWST Mission
  12. Canadian Space Agency "Eyes" Hubble’s Successor: Canada Delivers its Contribution to the World’s Most Powerful Space Telescope – Canadian Space Agency