James-Webb-Weltraumteleskop

Infrarot-Weltraumteleskop

Das James-Webb-Weltraumteleskop (engl.: James Webb Space Telescope, abgekürzt JWST oder Webb) ist ein am 25. Dezember 2021 gestartetes Weltraumteleskop für die Infrarotastronomie.

James-Webb-Weltraumteleskop

Oberseite des James-Webb-Weltraumteleskops
NSSDC ID 2021-130A
Missions­ziel L2-Orbit (Sonne-Erde)Vorlage:Infobox Sonde/Wartung/Missionsziel
Betreiber National Aeronautics and Space Administration NASA[1]
Europäische Weltraumorganisation ESA
Canadian Space Agency CSAVorlage:Infobox Sonde/Wartung/Betreiber
Träger­rakete Ariane 5 ECA+ (Flug VA256)Vorlage:Infobox Sonde/Wartung/Traegerrakete
Aufbau
Startmasse 6350 kg[2]Vorlage:Infobox Sonde/Wartung/Startmasse
Größe: ca. 21 × 14 m (Sonnenschild)
6,5 m (Ø Primärspiegel)[3]Vorlage:Infobox Sonde/Wartung/Abmessungen
Instrumente
Vorlage:Infobox Sonde/Wartung/Instrumente

NIRCam; MIRI; NIRSpec; FGS/NIRISS

Verlauf der Mission
Startdatum 25. Dezember 2021, 12:20 UTCVorlage:Infobox Sonde/Wartung/Startdatum
Startrampe Centre Spatial Guyanais, ELA-3Vorlage:Infobox Sonde/Wartung/Startrampe
Vorlage:Infobox Sonde/Wartung/Verlauf
 
25. Dezember 2021 Start
 
24. Januar 2022 Ankunft im Zielorbit, Beginn Kommissionierung
 
Start + 4 Monate Beginn der Instrumententestungen
 
Start + 6 Monate Beginn der wissenschaftlichen Beobachtungen
 
Start + 5,5 Jahre Mögliche Verlängerung
 
Start + 10,5 Jahre Ende Verlängerung
 
Start + >10,5 Jahre Ende durch Treibstoffmangel

Es wurde ab 1996 als gemeinsames Projekt der Weltraumagenturen NASA, ESA und CSA entwickelt und ist nach dem früheren NASA-Administrator James Edwin Webb benannt. Es kann als wissenschaftlicher Nachfolger des (noch aktiven) Hubble-Weltraumteleskops gesehen werden, aufgrund des hauptsächlich verwendeten Infrarotbereichs ist es auch der Nachfolger des Spitzer-Weltraumteleskops, welches 2020 endgültig abgeschaltet wurde. Das JWST war bis zum 24. Januar 2022 auf dem Weg zu dem etwa 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernten Lagrange-Punkt L2 (von Erde und Sonne) und soll nach einer Vorbereitungszeit in einer Umlaufbahn um diesen Punkt operieren.[4]

AufgabenBearbeiten

Das JWST hat vier wissenschaftliche Hauptaufgaben:[5][6]

 
Der Infrarotbereich hat bei manchen Objekten deutliche Vorteile

Das JWST reagiert teilweise 100-fach empfindlicher auf elektromagnetische Wellen als das Hubble-Teleskop. Die technische Präzision ermöglicht es dem JWST, neue Blicke in das Sonnensystem zu werfen, in das Innere von Sternentstehungsgebieten zu schauen und die chemische Zusammensetzung der Atmosphären von Exoplaneten detaillierter zu analysieren.[5]

Das JWST untersucht Wellenlängen von 0,6 bis 28 µm, das heißt vom sichtbaren roten Licht bis in das mittlere Infrarot. Licht aus weit entfernten und damit auch frühen Regionen des Universums wird durch die kosmologische Rotverschiebung in diesen Bereich verschoben. Infrarot wird auch von kühlen Objekten ausgestrahlt und kann interstellare Gaswolken besser durchdringen als sichtbares Licht.[6]

Die Primärmission war für eine Dauer von fünf Jahren mit einer Verlängerung auf mindestens zehn Jahre geplant. Da die Flugbahn beim Start weit genauer als erforderlich getroffen wurde und alle Brennphasen zum optimalen Zeitpunkt und mit dem optimalen Ergebnis abgelaufen sind, bleibt mehr Treibstoff für die Mission übrig und so ist es möglich, dass der Betrieb auch noch weit länger als für zehn Jahre aufrechterhalten werden kann.[7]

Entwicklung, Finanzierungen, StartverschiebungenBearbeiten

 
Poster der Webb-Mission
 
Logo des JWST

Die NASA, die ESA und die CSA begannen ihre Kooperation für die Entwicklung des Weltraumteleskops 1996, zunächst unter der Bezeichnung Next Generation Space Telescope. Es sollte ursprünglich 2007 gestartet werden. Später war ein Start im Jahr 2014 mit einer Ariane 5 geplant.[8] Der Anteil der Beteiligung der ESA sowohl bei Konstruktion als auch Inbetriebnahme wurde 2003 durch deren Mitgliedstaaten bestätigt; im Jahr 2007 wurde dazu eine offizielle Vereinbarung zwischen NASA und ESA getroffen.[9][10] Das letzte Segment des Hauptspiegels verließ am 7. Februar 2007 die Fertigung als Rohling, um geschliffen und poliert zu werden.

Für Bau und einen zehnjährigen Betrieb waren die notwendigen 3,3 Milliarden Euro auf US-amerikanischer Seite zunächst 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 diesem Zeitpunkt auf 8,7 Milliarden US-Dollar geschätzt.[11] Bis dahin waren etwa 3 Milliarden US-Dollar (2,6 Mrd. €) ausgegeben worden 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 einschließlich der Betriebskosten für die ersten fünf Jahre wieder als gesichert und ein Start wurde ab 2018 erwartet.[12]

Im November 2015 wurde mit der Endfertigung begonnen.[13] Bis Anfang Februar 2016 wurden die 18 Segmente des Primärspiegels installiert.[14] Im November 2016 konnten am Spiegel erste Messungen der optischen Eigenschaften durchgeführt werden.[15] Am 18. Dezember 2015 wurde der Liefervertrag für die Ariane-5-Rakete unterzeichnet. Der Flug war nun für Frühjahr 2019 geplant[16] und wurde dann auf frühestens Mai 2020 verschoben, nachdem verschiedene Qualitätsmängel erkannt worden waren. Unter anderem gab es Probleme mit den Steuertriebwerken und beim Entfalten des Sonnenschildes.[17] Mehrfach waren Folien des Sonnenschildes gerissen. Bei einem Vibrationstest fielen Schrauben und Unterlegscheiben aus dem Teleskop.[18][19] Im Jahr 2018 wurden die Gesamtkosten der Mission auf 9,66 Milliarden US-Dollar eingeschätzt, davon 8,8 Milliarden US-Dollar an Entwicklungskosten.[20]

In der Phase vor dem Start folgten weitere Verschiebungen, unter anderem weil nach dem Transport zum Weltraumbahnhof ein Klemmband locker war und wegen unpassender Wetterbedingungen.[21][22] Bis Dezember 2021 erreichten die Kosten 9,7 Milliarden US-Dollar.[23] Es handelt sich damit um das teuerste wissenschaftliche Projekt in der unbemannten Raumfahrt.[24]

Die ESA trägt rund 300 Millionen Euro bei, anteilig getragen von Belgien, Dänemark, Deutschland, Finnland, Frankreich, Griechenland, Großbritannien, Irland, Italien, Luxemburg, Niederlande, Norwegen, Österreich, Portugal, Spanien, Schweden, Schweiz und Tschechien.[9] Darin sind die Startkosten der Ariane-5-Rakete, das NIRSpec-Instrument, die optische Bank für das MIRI-Instrument und Personal (Astronomen der ESA) im wissenschaftlichen Missionszentrum (Space Telescope Science Institute) in Baltimore enthalten.[5][9] Insgesamt rechnet die ESA für den eigenen Anteil mit Kosten im Rahmen einer Medium-(M-Klasse)-Mission.[25][24] Die ESA-Astronomen erhalten dementsprechend mindestens 15 % der geplanten Beobachtungszeit fest zugeteilt.[5]

Die kanadische CSA stellt den Fine-Guidance-Sensor und den Near-Infrared-Imager-Slitless-Spektrographen sowie Personal zum Betrieb des Teleskops bereit.[26]

MissionsverlaufBearbeiten

StartvorbereitungBearbeiten

 
Das Ziel der Reise: Lagrange-Punkt L2 von Erde-Sonne

Im Sommer 2021 wurde das Teleskop in Long Beach beim Rüstungs- und Raumfahrtkonzern Northrop Grumman letzten Tests unterzogen und dann für den Transport in einen Spezialbehälter verpackt, der einen transportablen Reinraum darstellte. Ende September 2021 wurde es auf das Schiff MN Colibri verladen, das dann zum Raumfahrtzentrum Guayana auslief. Berücksichtigt wurde, dass Piraten das Schiff kapern könnten, um Lösegeld zu erpressen, deswegen wurden die Details über den Transport nicht medial verbreitet. Ein Transport auf dem Luftweg war aufgrund fehlender Infrastruktur in Französisch-Guayana keine Option, die Brücken zwischen Flughafen und Startbasis sind für einen solchen Schwertransport nicht ausgelegt.[27] Am 12. Oktober kam das Teleskop in einem Spezialtransport am Hafen Pariacabo bei Kourou an.[28]

Die Nutzlastverkleidung der Ariane-5-Trägerrakete wurde für das Teleskop modifiziert, weil bei vorherigen Missionsstarts der Rakete potentiell schädliche Vibrationen gemessen worden waren.[27] Die Nutzlastverkleidung hatte nun 28 Entlüftungsöffnungen, um den Druckausgleich während der Startsequenz zu gewährleisten.[5] Das Teleskop wurde für den Transport in der Rakete zusammengefaltet. Seine Gesamtmasse betrug beim Start inklusive Treibstoff etwa 6,2 Tonnen.[6] Der Schwerpunkt des zusammengefalteten Teleskops lag nicht auf der Rotationsachse der Rakete; zum Ausgleich musste Ballast mitgeführt werden.

Start, Entfaltung und Reise zu L2Bearbeiten

 
Von der abgetrennten Raketenstufe aufgenommenes Foto des zusammengefalteten JWST (Bodenansicht). Im Hintergrund die Erde mit dem Golf von Aden.

Der Start der Ariane-Rakete erfolgte am 25. Dezember 2021 um 12:20 UTC vom Raumfahrtzentrum Guayana in Französisch-Guayana.[5] Beide Raketenstufen brachten das Teleskop auf Geschwindigkeit mit Kurs auf den 1,5 Millionen Kilometer entfernten Lagrange-Punkt L2 von Erde und Sonne. Die modifizierte Ariane ging nach dem Abstoßen der Verkleidung, drei Minuten nach dem Start, in eine langsame Rotation über, um Webb vor einer einseitigen Sonnenbestrahlung und Überhitzung zu schützen. Nach dem Abtrennen der Hauptstufe innerhalb der ersten 10 Minuten nach dem Start befand sich das Teleskop weitere 17 Minuten an der kryogenen ESC-A-Oberstufe, ehe es sich auch davon löste. Vom Start bis zur Abtrennung von der Trägerrakete hatte die französische Raumfahrtagentur CNES die Ariane 5 von Bodenstationen in Kourou, auf der Insel Ascension (im Südatlantik), in Natal (Brasilien), Libreville (Gabun) und Malindi (Kenia) aus nachverfolgt. Unmittelbar nach der Abtrennung des JWST von der ESC-A-Oberstufe der Ariane 5 übernahm ESTRACK, das Tracking-Bodenstationsnetzwerk der ESA, und verfolgte das JWST durch die frühe Orbitphase hindurch. Hierfür wurden die ESA-Bodenstation in Malindi (Kenia) und das Stationsnetzwerk der NASA genutzt.[5] 31 Minuten nach dem Start öffneten sich die Solarpaneele zur Energiebereitstellung. Die präzise Flugbahn der Sonde zum Zielgebiet sparte einen großen Teil des Treibstoffs, der nun für Kurskorrekturen in der Umlaufbahn um den Lagrange-Punkt zur Verfügung steht; die Funktionsdauer des Teleskops verdoppelt sich damit auf voraussichtlich 20 Jahre.[29]

Zum Zeitpunkt der Abschaltung des Triebwerks der ESC-A-Oberstufe hatte das JWST seine größte Geschwindigkeit von 9,90 km/s erreicht.[30] Danach sank die Geschwindigkeit kontinuierlich, weil das JWST in der meisten Zeit ohne Antrieb in Gegenrichtung zu den Gravitationskräften von Sonne und Erde flog. Dadurch wird die kinetische Energie in potentielle Energie umgewandelt. Bereits nach wenigen Tagen war die Geschwindigkeit auf unter 1 km/s abgesunken.

12 Stunden nach dem Start von der Erde erfolgte eine als MCC-1a (Mid-Course Correction) bezeichnete Triebwerkszündung am JWST.[31] Die Triebwerke wurden für 65 Minuten gezündet für ein   von 20 m/s. Dabei handelt es sich nicht primär um eine Kurs-Korrektur, sondern vor allem um eine geringfügige präzise Schub-Korrektur („thrust correction“), also eine Erhöhung der Geschwindigkeit. Die Gesamtbeschleunigung der Ariane-Rakete kann aufgrund der großen Massen und großen Schubkraft nicht so präzise wie eigentlich gewünscht eingestellt werden und wurde absichtlich etwas zu gering gewählt, damit das JWST kein Bremsmanöver durchführen muss. Für ein Bremsmanöver müsste die Sonde sich um 180° drehen, so dass die am Heck gelegenen Düsen nach vorne zeigen, anschließend die Düsen für eine bestimmte Zeit zünden und sich danach wieder zurückdrehen. Dies würde aber die auf der Vorderseite des JWST gelegenen empfindlichen Instrumente vorübergehend dem Sonnenlicht aussetzen und so überhitzen und irreparabel beschädigen. Daher wurde die finale Geschwindigkeitskurve erst durch die präzise Triebwerkszündung am JWST erreicht.[32] Ein Tag nach dem Start wurden die beiden Richtantennen ausgefahren.[33][34] Nach ungefähr zweieinhalb Tagen erfolgte am 27. Dezember eine 9 Minuten und 27 Sekunden lange Brennphase MCC-1b mit einem   von 2,8 m/s.

Animation des Ablaufs der Entfaltung

Die komplizierte Entfaltung des Sonnenschilds zog sich über mehrere Tage hin. 2,7 Tage nach dem Start wurden zuerst die beiden Hauptträger für das Sonnensegel ausgeklappt. Um das JWST nach dem Ausfahren der Hauptträger vor Instabilität wegen des Sonnenwindes zu schützen, wurden Trimmklappen an den Hauptträgern des Sonnenschilds ausgefahren. Am vierten Tag nach dem Start wurde das Teleskop angehoben, um es von den übrigen Teilen wie Antrieb und Versorgungseinheit thermisch abzukoppeln. Sechs bis sieben Tage nach dem Start wurden die Schutzhüllen der Folien geöffnet, die beiden teleskopischen Seitenmasten zum Entfalten des Sonnenschilds ausgeschoben und damit einhergehend der Sonnenschild entfaltet. Vom siebten bis zum zehnten Tag nach dem Start wurden die Folien gestrafft und separiert, sodass zwischen jeder Lage ein Zwischenraum entstand, damit Wärmestrahlung abgestrahlt wird. Nach 11 Tagen wurde der Sekundärspiegel ausgeklappt. Einen Tag später wurden die Kühlelemente der Instrumente hinter dem Primärspiegel ausgefahren. Am dreizehnten und vierzehnten Tag wurden die Seitenteile des Hauptspiegels in die Endposition ausgeklappt und verriegelt. Damit war die Entfaltung am 8. Januar 2022 abgeschlossen.[34][31][35]

Beim Start waren die 18 Segmente des Primärspiegels zur Sicherheit verriegelt. Ab dem 15. Tag nach dem Start waren die Segmente so weit abgekühlt, dass erste Ausrichtungstests ausgeführt werden konnten. Dann wurden sie um ca. 12,5 mm aus ihrer Parkkonfiguration mit etwas mehr als 1 mm pro Tag ausgefahren; dieser Prozess dauerte ungefähr vom 18. bis zum 28. Tag. Erst als alle Teile des Teleskops in einem thermischen Gleichgewicht waren, konnte mit der genauen Ausrichtung der Segmente begonnen werden.[34][31][35]

Das JWST erreichte seine Umlaufbahn um den Lagrange-Punkt L2 nach einem 29,5 Tage andauernden Flug. Kurz zuvor hatte das JWST noch eine Kurskorrektur vorgenommen um in die angedachte Umlaufbahn um L2 einzuschwenken.[34][31]

Aktuelle Position (Umlaufbahn um L2)Bearbeiten

Animation der Flugbahn während des Betriebs, im Orbit des Lagrange-Punktes L2

Das Teleskop kreist bei einer Geschwindigkeit von 202 Metern pro Sekunde (727 km/h) in einem Halo-Orbit um den Lagrange-Punkt L2 im System Erde-Sonne, etwa 1,5 Millionen km über der Nachtseite der Erde.[34][36] Der Abstand zu L2 schwankt dabei zwischen 250.000 km und 832.000 km.[37] Die störende Infrarotstrahlung von Sonne, Erde und Mond liegt vom Teleskop aus gesehen in gleicher Richtung und kann wirksam abgeschirmt werden. Außerdem sind, anders als in einem niedrigen Erdorbit, lange ununterbrochene Belichtungs- und Beobachtungszeiten möglich. Ein positiver Nebeneffekt der Umlaufbahn um L2 ist auch, dass das Teleskop kaum gefährdet ist, von Weltraummüll getroffen zu werden. Ein Nachteil der Positionierung des Teleskops um den L2-Punkt ist die im Vergleich beispielsweise zum Hubble-Teleskop große Entfernung zur Erde, was den Einsatz des Deep Space Networks zur Kommunikation notwendig macht.

Es sind verschiedene Umlaufbahnen um L2 möglich, ein Torus-, Halo- oder Lissajous-Orbit. Wichtig ist, die Sonde außerhalb des Erd- oder Mondschattens zu halten, damit die Stromversorgung durch die Solarzellen gewährleistet bleibt. Der gewählte Orbit ist abhängig vom Startfenster innerhalb des synodischen Monats und ergab sich somit erst nach dem Start.[38] Kein Orbit um L2 ist vollständig stabil, weshalb die Bahn immer wieder durch Raketentriebwerke korrigiert werden muss. Ein Umlauf braucht ungefähr 6 Monate, dabei wird alle 21 Tage korrigiert.

Geplanter weiterer MissionsverlaufBearbeiten

BetriebBearbeiten

Bis zur Inbetriebnahme müssen mindestens 300 Mechanismen funktioniert haben, davon entfielen – je nach Definition – zwischen 144 und 178 auf die Entfaltung des JWST.[31][39] Diese Mechanismen lassen sich auf 59 „kritische Vorgänge“, von denen das Gelingen der Mission abhängt, zusammenfassen.[19] Das Teleskop ist vom Design her nicht für Service-Missionen (Reparatur und Wartung) ausgelegt.[5]

Für die gleichmäßige Abkühlung aller Komponenten bis auf Betriebstemperatur, die Funktionstests, die Kalibrierung der Instrumente und die Feinjustierung der Spiegel sind ab Start sechs Monate Vorbereitungszeit angesetzt; danach werden die ersten wissenschaftlichen Daten erwartet.[34]

Um sicherzustellen, dass die Beobachtungen nicht von der Infrarotstrahlung (Wärmestrahlung) des Teleskops und der Instrumente selbst gestört werden, müssen diese Bauteile dauerhaft unter 50 Kelvin (−223 °C) gehalten werden und insbesondere vor Sonnenstrahlung geschützt sein.[6] Der 21,2 m × 14,2 m große[6] Sonnenschild schirmt sie gegen Sonne, Erde und Mond ab. Das MIRI (Mid Infrared Instrument) wird zusätzlich aktiv auf unter 6 K (−267 °C) gekühlt.

Zur Beobachtung wird das ganze Observatorium auf das zu untersuchende Objekt ausgerichtet. Da sich der Sonnenschild immer zwischen Sonne und der Optik befinden muss, kann das JWST jedoch nicht frei um alle drei Achsen gedreht werden. Daher ist zu jedem Zeitpunkt nur ein ringförmiger Ausschnitt des Himmels, dessen Größe etwa 39 % des gesamten Himmels umfasst, beobachtbar. Da sich das Teleskop aber mit der Erde um die Sonne bewegt, kann der gesamte Himmel beobachtet werden. Die Umgebungen der beiden Pole der Ekliptik kann das ganze Jahr über beobachtet werden.[40]

BeobachtungszeitenBearbeiten

Für den ersten Beobachtungszyklus mit über 6000 Stunden verfügbarer Beobachtungszeit wurden 1172 Anträge aus 44 Ländern geprüft. Dieser Anteil entspricht zwei Dritteln der gesamten Beobachtungszeit, das restliche Drittel ist bereits fest an Early Release Science and Guaranteed Time (GTO) Programme vergeben. Die Auswahl der Projekte geschieht von einem internationalen Gremium von Astronomen in mehreren Arbeitsgruppen, die die interessantesten davon auswählen. Bei diesen Gremien hat ESA das Mitspracherecht gesichert und Wissenschaftler aus den ESA-Staaten sind in allen Gremien besetzt. Von den 266 ausgewählten Projekten stammen 33 % von ESA-Mitgliedsstaaten, die 30 % der Beobachtungszeit belegen. Von den ausgewählten Projekten werden 41 % primär das NIRSpec- und 28 % das MIRI-Instrument benutzen.[41]

AufbauBearbeiten

 
Unterseite des James-Webb-Weltraumteleskops. Dabei ist die kastenförmige Versorgungseinheit zu erkennen.

Das JWST besteht aus der Versorgungseinheit, dem Sonnenschild, dem Teleskop und mehreren Instrumenten. Zur Datenübertragung zwischen den Hauptkomponenten wird SpaceWire benutzt.[42]

 
Die Versorgungseinheit mit Energieversorgung, Antrieb, Steuerungssystem, Wärmeregulierung, Lagekontrolle und Kommunikationssystem

VersorgungseinheitBearbeiten

Die Versorgungseinheit (offizielle Bezeichnung: Spacecraft Bus) stellt die Technik für die grundlegenden Funktionen für den Betrieb der Sonde bereit. Untergebracht ist sie in einer Box aus Kohlefaserverbundmaterial und sie besitzt einen Adapterring, mit der das Teleskop auf der Trägerrakete befestigt wurde. Alle elektronischen Komponenten und stromführenden Teile sind gegen Weltraumstrahlung gehärtet und entsprechend gegen einschlagende Staubpartikel und geladene Teilchen geschirmt. Die grundlegenden Funktionen sind:[43]

Elektrische EnergieversorgungBearbeiten

Die Sonde verfügt über Solarmodule mit einer Leistung von 2000 W über die Missionszeit und Akkumulatoren zur Stromversorgung auf der heißen Seite. Dabei sind die Alterung der Solarzellen und mögliche sich akkumulierende Schäden durch Mikrometeoriten sowie Ausfall einzelner Zellen oder Stränge berücksichtigt.[44]

LagekontrolleBearbeiten

Die Sonde ist dreiachsenstabilisiert und hat zur Lagekontrolle Sonnensensoren, drei Sternsensoren, Gyroskope, sechs Reaktionsräder und Steuerdüsen. Die Sternsensoren haben ein Gesichtsfeld von etwa 16° und einen 512 × 512-Pixel-Sensor. Sie sind im Winkel von 45° zur Teleskopachse und gegeneinander angeordnet. Die beobachteten Sterne mit einer Magnitude bis 6 werden mit einer gespeicherten Sternkarte verglichen und daran wird die Raumausrichtung in drei Achsen erkannt. Die Ausrichtung der Teleskopachse geschieht durch Ausrichtung der gesamten Sonde. Die Ausrichtung der Teleskopachse anhand der Lagekontrolle liegt dabei im Bereich von 8″ noch bevor ein Leitstern erfasst ist und die Feinregulierung eingesetzt wird. Die Feinregulierung, die über einen beweglichen Spiegel ermöglicht wird, ist ein Teil des Teleskops und der Instrumente und nicht Teil der Lagekontrolle.[45]

KommunikationssystemBearbeiten

Zwei ungerichtete Rundstrahlantennen mit Halbkugelcharakteristik im S-Band für Telemetrie, Kommandoübertragung und Satellite Laser Ranging dienen der Entfernungs- und Positionsbestimmung. Die Kommunikation über diese Antennen kann zu jeder beliebigen Zeit und in jeder Raumlage stattfinden, solange Sichtkontakt zu einer Bodenstation besteht. Die mögliche Datenrate reicht für einfache Steuerbefehle.

Eine Antenne mit 20 cm Durchmesser, die in gleicher Richtung wie die Haupt-Parabolantenne montiert ist, dient der Datenübertragung mit bis zu 40 kbit/s im S-Band.[46] Die Datenrate kann im Downlink (2,2…2,3 GHz, Sendeleistung 6 Watt) für Telemetrie zwischen 0,2 und 40 kbit/s und im Uplink (2,025…2,12 GHz) für Kommandos 2 bis 16 kbit/s betragen. Während der Einrichtzeit und in der Arbeitsphase wird das S-Band benutzt, es dient auch zur Notfallkommunikation. Im Gegensatz zum Ka-Band wird die Übertragung der Daten bei dieser Frequenz kaum durch schlechtes Wetter beeinflusst.

Über eine bewegliche 60-cm-Parabolantenne zur Kommunikation im Ka-Band (26 GHz) erfolgt die Übertragung der Wissenschaftsdaten. Diese Antenne kann aus jeder Lage auch während der Beobachtungen in Richtung Erde gerichtet werden. Die Antenne muss ungefähr alle 2 Stunden und 45 Minuten neu ausgerichtet werden, somit ist dieses die maximale Integrationszeit für Beobachtungen während der Datenübertragung und für spezielle Aufgaben, die während der Beobachtungszeit eine gleichzeitige Datenübertragung benötigen. Die Übertragung ist wahlweise mit einer Datenrate von 7, 14 oder 28 Mbit/s möglich. Normalerweise wird die höchste Datenrate benutzt, sie kann aber reduziert werden, wenn schlechte Wetterbedingungen an der Empfangsstation herrschen. Es ist eine vierstündige Datenübertragungsphase alle zwölf Stunden vorgesehen. Jeder vierstündige Kontakt kann im Normalbetrieb mindestens 28,6 GB Daten übermitteln.[46] Für den Downlink sind die drei Antennenstationen des Deep Space Networks in Goldstone, Canberra und Madrid vorgesehen.

SteuerungssystemBearbeiten

Das Steuerungssystem besteht aus dem Bordcomputer und einem Solid-State-Drive. Dieser Speicher hat eine Kapazität von 58,9 GB, ist ausgelegt für die in 24 Stunden anfallende Datenmenge und enthält sowohl die wissenschaftlichen Daten als auch die Daten aus der Versorgungseinheit.

Antrieb und TreibstofftanksBearbeiten

Die Antriebe sind an der Versorgungseinheit angebracht. Ihr Treibstoff ist für mindestens zehn Jahre Betrieb und das halbe Jahr Vorbereitungszeit ausgelegt.

  • Zwei Paare Secondary Combustion Augmented Thrusters (SCAT). Sie waren nach dem Start im Einsatz und dienen dem Einschwenken und der regelmäßigen Bahnkorrektur am L2-Punkt. Eines der Triebwerke in jedem Paar ist redundant. Die Triebwerke verwenden Hydrazin (N2H4) und Distickstofftetroxid (N2O4) als Oxidator. Ein Heliumtank hat die Aufgabe, beide Komponenten unter Druck zu setzen.[47]
  • Acht Mono-propellant Rocket Engines (MRE-1) ermöglichen die Lagekontrolle und die Entsättigung der Reaktionsräder: Der Sonnenwind verursacht ein Drehmoment, weil der Schirm asymmetrisch zum Schwerpunkt ist, das durch die Reaktionsräder kompensiert wird. Ab einer gewissen Drehzahl muss Treibstoff eingesetzt werden, um die Räder wieder abzubremsen. Diese Triebwerke verwenden nur Hydrazin als Treibstoff.[47]

Es gibt eine Vorrichtung zum Betanken des Teleskops vor dem Start. Diese Vorrichtung könnte mit einer Robotermission zum Nachfüllen der Treibstoffvorräte genutzt werden, es ist aber bisher keine solche Mission geplant.[48]

WärmeregulierungBearbeiten

Die Versorgungseinheit mit dem Bordcomputer befindet sich auf der heißen Seite und wird bei einer Temperatur von ungefähr 300 K oder 27 °C betrieben. Zur Wärmeabführung gibt es Radiatoren. Die Instrumente der Nutzlast haben eigene Radiatoren auf der Rückseite des Hauptspiegels und sind thermisch isoliert gegenüber der Versorgungseinheit.

SonnenschildBearbeiten

 
Test des Sonnenschildes im Werk von Northrop Grumman in Kalifornien, im Jahr 2014

Der ca. 21 × 14 m[49] große Sonnenschild hat die Aufgabe, Infrarot- bzw. Wärmestrahlung vom Teleskop und den Instrumenten fernzuhalten. Der Mehrlagen-Strahlungsschild besteht aus fünf Lagen Kapton, einem Polyimid, das mit Aluminium beschichtet ist. Die beiden äußersten Lagen sind mit Silizium dotiert, das besonders gut Wärme abstrahlt. Die Dotierung erhöht auch die elektrische Leitfähigkeit und vermindert damit die statische Aufladung durch geladene Partikel; sie gibt den Folien einen rosa Schimmer. Die erste Lage zeigt in Richtung Sonne und ist 50 μm stark, die übrigen vier Lagen nur 25 μm. Die Aluminiumschicht ist 100 Nanometer dick, die Siliziumschicht 50 Nanometer.[50] Ein komplizierter Mechanismus sicherte die Folien während des Starts und sorgte für die korrekte Entfaltung auf dem Weg zum Ziel. Nach dem Entfalten besteht zwischen den Lagen ungefähr ein Abstand von 40 cm.

Die fünf Lagen Kaptonfolie schirmen das Teleskop nicht nur gegen Strahlung von Sonne und Erde ab, sondern auch von der Wärme der Versorgungseinheit, deren Elektronik eine gewisse Mindesttemperatur haben muss, um zuverlässig zu arbeiten. Die Temperaturdifferenz zwischen der sonnenzugewandten Seite mit ca. 358 K (85 °C) und der sonnenabgewandten Seite mit ca. 40 K (−233 °C) beträgt über 300 K.[51] Im mehrlagigen Design ist berücksichtigt, dass der Schild von Partikeln durchschlagen werden und Folien an einzelnen Stellen einreißen könnten und trotzdem die Funktionalität nicht verloren geht; spezielle Verstärkungen verhindern, dass sich längere Risse bilden.

 
Der Primärspiegel des JWST während der Tests

OptikBearbeiten

Das JWST ist als Korsch-Teleskop (TMA – Three-Mirror-Anastigmat) aufgebaut. Die effektive Brennweite beträgt 131,4 Meter.[6]

Der Hauptspiegel hat 6,5 Meter Durchmesser und besteht aus 18 sechseckigen Segmenten, die sich erst im All entfalten. Die Spiegel bestehen aus Beryllium, das hauptsächlich wegen seiner geringen Dichte, seiner hohen Festigkeit und seines unterhalb 100 K niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten gewählt wurde.[6] Die Spiegel sind so konstruiert, dass sie dem Einschlag von Mikrometeoriten standhalten können, ohne dass sich dadurch die optischen Eigenschaften merklich verschlechtern. 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 hat einen Inkreisdurchmesser von 1,3 Metern, bei einer Masse von 20 Kilogramm. Gefertigt wurden sie von Ball Aerospace in Boulder (Colorado). Die Primär-, Sekundär- und Tertiärspiegel wurden in einer Vakuumkammer mit einer 100 nm starken Schicht Gold bedampft, das auch im Infrarotbereich sehr gut reflektiert. Nach der Goldschicht wurde noch eine dünne Glasschicht aus Siliziumdioxid aufgedampft, die die weiche Goldoberfläche vor Kratzern und Partikel beschützt.[52]

Die Verformung der Spiegelsegmente bei der Abkühlung wurde bei ihrer Herstellung berücksichtigt; außerdem befindet sich in der Mitte eines jeden Segments ein siebter Aktuator, der die Krümmung noch genauer anpassen kann. Im Endzustand bilden alle Spiegelflächen eine gemeinsame Wellenfront, dafür müssen die Spiegel bis auf eine Toleranz von weniger als einer Wellenlänge ausgerichtet werden.[34]

Der konvexe Fangspiegel (Sekundärspiegel) lässt sich in sechs Freiheitsgraden ausrichten und ist an einer faltbaren Haltestruktur angebracht. Über den unbeweglichen Tertiärspiegel und einen Feinausrichtungsspiegel wird das Licht auf die Instrumente in der Bildebene geleitet. Der Feinausrichtungsspiegel dient zusätzlich zur Bildstabilisierung und kompensiert die Vibrationen, die von den Reaktionsrädern verursacht werden.

InstrumenteBearbeiten

 
Das ISIM, in dem sich NIRCam, Miri, NIRSpec und FGS-NIRISS befinden, liegt hinter dem Primärspiegel. (englischsprachige Bildbeschreibung)

Die Instrumente für die wissenschaftlichen Beobachtungen befinden sich im Integrated Science Instrument Module (ISIM) hinter dem Primärspiegel. Sie verfügen jeweils über mehr als hundert verschiedene Einstellungsmöglichkeiten bzw. Beobachtungsmodi.[53]

  • NIRCam (Near Infrared Camera) (Nahinfrarotspektroskopie) ist ein Projekt der NASA und erkennt Infrarotstrahlung mit einer Wellenlänge zwischen 0,6 und 5 µm (nahes Infrarot) mittels Quecksilber-Cadmium-Tellurid-Sensoren. Es fängt das Licht von frühen, nach dem Urknall entstandenen Sternen und Galaxien ein, um diese näher zu untersuchen.[5] Das Sichtfeld der Kamera besteht aus zwei Quadraten von jeweils 2,3′ × 2,3′ (Bogenminuten), wovon eines Strahlung mit einer Wellenlänge kleiner und das andere größer als 2,5 µm misst. Die Winkelauflösung beträgt 0,034″ bzw. 0,068″ (Bogensekunden). NIRCam wird passiv gekühlt bei einer Temperatur von weniger als 50 Kelvin betrieben. Das Instrument wurde von der University of Arizona unter der Leitung von Marcia J. Rieke bereitgestellt.[54]
  • MIRI (Mid Infrared Instrument) beobachtet kalte, weit entfernte Objekte im mittleren Infrarotbereich[5] (Wellenlängen zwischen 5 und 28,3 µm). Es besteht aus einer Kamera mit drei identischen 1024 × 1024-Pixel-Detektoren und einem Spektrografen für spektroskopische Analyse. Die Winkelauflösung der Kamera beträgt ca. 0,19″. MIRI wird mit einem Kryokühler (Heliumkreislauf) aktiv auf eine Temperatur von 6 Kelvin gekühlt. MIRI basiert auf einer Zusammenarbeit von ESA mit einem Konsortium aus staatlich geförderten europäischen Instituten, dem Jet Propulsion Laboratory und dem Goddard Space Flight Center der NASA. Die Nutzung des MIRI ist aufgeteilt auf 50 % ESA und 50 % NASA.
  • NIRSpec (Near Infrared Spectrograph) ist ein Spektrograf für den Wellenlängenbereich von 0,6 bis 5 µm. Es kann Spektren von 200 Objekten gleichzeitig aufnehmen und ist, genauso wie MIRI in der Lage, spektroskopisches Mapping durchzuführen. Mit NIRISS teilt sie sich die Fähigkeit, Masse, Temperatur und chemische Zusammensetzung von Objekten zu erfassen.[5] Entwickelt und gefertigt wurde er im Auftrag der ESA von Astrium, das wiederum die Carl Zeiss Optronics GmbH dafür beauftragte.[55]
  • FGS-NIRISS (Fine Guidance System/Near-InfraRed Imager and Slitless Spectrograph). NIRISS ist ein spaltloser Spektrograph mit weitem Gesichtsfeld (2,2' × 2,2') für den Wellenbereich 1,0 µm – 2,5 µm. Das Instrument hat einen Beobachtungsmodus, der zur Spektroskopie von Exoplaneten (Erfassung von Molekülen in Atmosphären[5]) optimiert ist. Es misst Masse, Temperatur und chemische Zusammensetzung von Objekten.[5] Das Fine Guidance System dient der präzisen Ausrichtung der Instrumente und wurde in Kanada entwickelt. Das Projekt wird von der Canadian Space Agency (CSA) geleitet. Weitere Beteiligte sind das Herzberg Institute of Astrophysics, das National Research Council of Canada und die Universität Montreal.

NIRCam und MIRI verfügen über sternlichtblockierende Koronografen zur Beobachtung schwach leuchtender Ziele, wie extrasolarer Planeten und zirkumstellarer Scheiben, in unmittelbarer Nähe greller Sterne.[56]

GalerieBearbeiten

Animation der Flugbahn des James Webb-Weltraumteleskops – Polaransicht
Animation der Flugbahn des James Webb-Weltraumteleskops – Äquatorialansicht


Siehe auchBearbeiten

WeblinksBearbeiten

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

EinzelnachweiseBearbeiten

  1. LIFTOFF! NASA’S WEBB SPACE TELESCOPE ON ITS WAY TO L2: „JWST is operated by the Space Telescope Science Institute
  2. James Webb Space Telescope Facts. Abgerufen am 8. Dezember 2021
  3. Primary Mirror Size Comparison Between Webb and Hubble. nasa.gov, 14. Januar 2020, abgerufen am 2. Januar 2022.
  4. Andreas Wilkens: James Webb Space Telescope soll Mitte Dezember starten. In: heise online. 8. September 2021, abgerufen am 9. September 2021.
  5. a b c d e f g h i j k l m Pressemappe der ESA zum James-Webb-Weltraumteleskop
  6. a b c d e f g The James Webb Space Telescope. NASA, abgerufen am 13. Mai 2012 (englisch).
  7. NASA Says Webb’s Excess Fuel Likely to Extend its Lifetime Expectations – James Webb Space Telescope. Abgerufen am 5. Januar 2022 (amerikanisches Englisch).
  8. ABOUT JWST. In: jwst.nasa.gov. Abgerufen am 27. April 2010.
  9. a b c European agreement on James Webb Space Telescope’s Mid-Infrared Instrument (MIRI) signed. Abgerufen am 3. Oktober 2020 (englisch).
  10. ESA Science & Technology: Europe’s Contributions to the JWST Mission
  11. cris: 8,7 Milliarden Dollar In: Süddeutsche Zeitung. München 24. August 2011, S. 16.
  12. James Webb vorerst gerettet. Deutschlandfunk. 27. April 2012. Abgerufen am 28. September 2012.
  13. Martin Holland: Hubble-Nachfolger: NASA beginnt Endfertigung des James-Webb-Weltraumteleskops. heise.de, 30. November 2015, abgerufen am 29. November 2016.
  14. NASA's James Webb Space Telescope Primary Mirror Fully Assembled. NASA, 4. Februar 2016, abgerufen am 11. Februar 2016 (englisch).
  15. NASA Completes Webb Telescope Center of Curvature Pre-test. NASA, 2. November 2016, abgerufen am 29. November 2016.
  16. NASA’s James Webb Space Telescope to be Launched Spring 2019. NASA, 28. September 2017, abgerufen am 1. Oktober 2017.
  17. Jeff Foust: NASA delays JWST launch to 2020. In: Spacenews. 27. März 2018, abgerufen am 9. Mai 2018.
  18. Stephen Clark: JWST beset by another problem as Northrop Grumman revamps training. 8. Mai 2018, abgerufen am 9. Mai 2018.
  19. a b Johann Grolle, Christoph Seidler: (S+) »James Webb«-Teleskop: »So etwas kann man nur einmal in einer Generation machen«. In: Der Spiegel. 23. Dezember 2021, ISSN 2195-1349 (spiegel.de [abgerufen am 24. Dezember 2021]).
  20. NASA Completes Webb Telescope Review, Commits to Launch in Early 2021. 27. Juni 2018, abgerufen am 28. Juni 2018.
  21. Sarah Loff: James Webb Space Telescope Launch Update. 21. Dezember 2021, abgerufen am 21. Dezember 2021.
  22. »Hubble«-Nachfolger Weltraumteleskop »James Webb«: Ein Klappspiegel im Weltall. In: Der Spiegel. 21. Dezember 2021, ISSN 2195-1349 (spiegel.de [abgerufen am 21. Dezember 2021]).
  23. Stephen Clark: NASA delays launch of Webb telescope to no earlier than Dec. 24 – Spaceflight Now. Abgerufen am 18. Dezember 2021 (amerikanisches Englisch).
  24. a b Dirk Asendorpf: Das 10-Milliarden-Dollar-Experiment auf www.zeit.de, 1. Juni 2021, Print 2. Juni 2021, editiert 6. Juni 2021. Kostenpflichtig.
  25. ESA Science & Technology - Policy for Missions of Opportunity in the ESA Science Directorate. Abgerufen am 18. Januar 2022.
  26. Canadian Space Agency „Eyes“ Hubble's Successor: Canada Delivers its Contribution to the World's Most Powerful Space Telescope (Memento vom 12. April 2013 im Internet Archive), Canadian Space Agency, 30. Juli 2012
  27. a b Christoph Seidler: »James Webb«: Könnten Piraten das teuerste Observatorium aller Zeiten stehlen? In: Der Spiegel. 2. Oktober 2021 (spiegel.de [abgerufen am 2. Oktober 2021]).
  28. ESA welcomes Webb in French Guiana for launch on Ariane 5. Abgerufen am 13. Oktober 2021 (englisch).
  29. Eric Berger: All hail the Ariane 5 rocket, which doubled the Webb telescope’s lifetime. Ars Technica, 10. Januar 2022, abgerufen am 11. Januar 2022 (amerikanisches Englisch).
  30. «James Webb Space Telescope» (JWST) startet in den Weltraum | WELT LIVE DABEI. (Video-Position 1:44:38). In: Youtube. Welt, 15. Dezember 2021, abgerufen am 30. Dezember 2021 (englisch).
  31. a b c d e Thaddeus Cesari: The Road to Launch and Beyond for NASA’s James Webb Space Telescope. 2. November 2021, abgerufen am 21. Dezember 2021.
  32. Nasa / Esa: James Webb Space Telescope Launch Media Kit Rev. 1.07, Seite 24. Nasa, 15. Dezember 2021, abgerufen am 30. Dezember 2021 (englisch).
  33. James Webb Space Telescope. Abgerufen am 26. Dezember 2021 (amerikanisches Englisch).
  34. a b c d e f g Deployment Explorer Webb/NASA. Abgerufen am 1. Januar 2022 (englisch).
  35. a b Ulf von Rauchhaupt: James-Webb-Teleskop: Auffaltung in der Silvesternacht. In: FAZ.NET. ISSN 0174-4909 (faz.net [abgerufen am 18. Januar 2022]).
  36. Where Is Webb? NASA/Webb. Abgerufen am 25. Januar 2022 (englisch).
  37. JWST Orbit. Abgerufen am 25. Januar 2022 (englisch).
  38. JWST Orbit. James Webb Space Telescope User Documentation, 30. Mai 2017.
  39. Chelsea Gohd published: There are over 300 ways that the new James Webb Space Telescope could fail, NASA says. 3. November 2021, abgerufen am 21. Dezember 2021 (englisch).
  40. JWST Observatory Coordinate System and Field of Regard. In: JWST User Documentation. Space Telescope Science Institute, abgerufen am 11. November 2021.
  41. ESA Science & Technology – Selection of the first James Webb Space Telescope General Observer Scientific Programmes. Abgerufen am 4. April 2021.
  42. Jason Townsend : GSFC: NASA – NASA's James Webb Space Telescope Gets 'Spacewired'. Abgerufen am 20. Dezember 2021 (englisch).
  43. JWST – eoPortal Directory – Satellite Missions. Abgerufen am 6. April 2021 (amerikanisches Englisch).
  44. JWST Spacecraft Bus – JWST User Documentation. Abgerufen am 14. April 2021.
  45. JWST Attitude Control Subsystem – JWST User Documentation. Abgerufen am 15. April 2021.
  46. a b JWST Communications Subsystem – JWST User Documentation. Abgerufen am 14. April 2021.
  47. a b JWST Propulsion – JWST User Documentation. Abgerufen am 14. April 2021.
  48. NASA FAQ – JWST Tweet Chat with John Mather. Abgerufen am 10. Januar 2022.
  49. The Sunshield Webb/NASA. Abgerufen am 3. Januar 2022 (englisch).
  50. NASA’s Webb Telescope Keeping Cool with Ultra-thin DuPont™ Kapton® Polyimide Films. Abgerufen am 7. Januar 2022 (amerikanisches Englisch).
  51. Webb Orbit. In: jwst.nasa.gov. Abgerufen am 20. September 2018.
  52. Mirrors Webb/NASA. Abgerufen am 22. Januar 2022 (englisch).
  53. Johann Grolle, Christoph Seidler: (S+) James-Webb-Teleskop: »Es geht darum, Hinweise auf Leben zu finden«. In: Der Spiegel. 31. Dezember 2021, ISSN 2195-1349 (spiegel.de [abgerufen am 1. Januar 2022]).
  54. Marcia J. Rieke Biography Webb Telescope/NASA. Abgerufen am 20. Dezember 2021 (englisch).
  55. ESA Science & Technology – NIRSpec – the Near-Infrared Spectrograph on JWST. Abgerufen am 20. Dezember 2021.
  56. Mid-Infrared Instrument (MIRI) Instrument Webb/NASA. Abgerufen am 20. Dezember 2021 (englisch).