Eine künstlerische Vorstellung (2015), wie das James Webb-Weltraumteleskop aussehen wird, wenn es vollständig und erfolgreich eingesetzt ist. Bildnachweis: Northrop Grumman.

Ein Blick hinter die Kulissen beim Bau des größten Teleskops von allen

Wie das James Webb Space Telescope hergestellt wurde.

„Auf die eine oder andere Weise müssen die ersten Sterne unsere eigene Geschichte beeinflusst haben, angefangen damit, alles aufzurühren und die anderen chemischen Elemente außer Wasserstoff und Helium zu produzieren. Wenn wir also wirklich wissen wollen, woher unsere Atome stammen und wie der kleine Planet Erde das Leben unterstützen kann, müssen wir messen, was am Anfang passiert ist. “ -John Mather

Sie möchten also weiter zurück ins Universum sehen als jemals zuvor? Zu entdecken, wie es aufgewachsen ist; die ersten Sterne und Galaxien zu messen; es auf eine neue Art und Weise und mit höherer Präzision als je zuvor zu betrachten? Im Prinzip ist es eine einfache Herausforderung. Bauen Sie einfach einen größeren Primärspiegel, um mehr Licht als je zuvor zu sammeln, das für längere Lichtwellenlängen empfindlich ist als Hubble, um das früheste vom expandierenden Universum gestreckte Licht zu sehen, und verwenden Sie eine Reihe fortschrittlicher Instrumente, um die aus dem Licht gewonnenen und abgekühlten Informationen zu maximieren zu kryogenen Temperaturen, um die Kontamination zu minimieren. Oh, und mach alles im Weltraum, auf einer Skala, die du noch nie zuvor gemacht hast. Es sind nicht nur die Wissenschaft und die wissenschaftlichen Instrumente, die Sie dorthin bringen, sondern eine bemerkenswerte technische Geschichte darüber, wie Sie das Unbekannte antizipieren und sich der Herausforderung stellen können. Um dorthin zu gelangen, muss man die Dinge anders sehen, als selbst Wissenschaftler sie sehen würden. Ich hatte die Gelegenheit, mich mit Jon Arenberg, dem Chefingenieur des James Webb-Weltraumteleskops von Northrup Grummon, zusammenzusetzen und einen Hinweis darauf zu bekommen, wie dies mit seinen Augen genau funktioniert.

Der Start von STS-93, dem Space Shuttle Columbia, im Jahr 1999. Bildnachweis: NASA.

Schauen Sie sich das Bild oben an und was sehen Sie? Vielleicht sehen Sie das Space Shuttle. Vielleicht sehen Sie das Space Shuttle Columbia, das nachts startet. Aber für Jon sieht er noch etwas anderes: das Space Shuttle, das mit seinem Satelliten an Bord startet. Bevor er mit der Arbeit an James Webb begann, half Jon beim Bau des Chandra-Röntgenobservatoriums, das seit 18 Jahren erfolgreich in Betrieb ist. Eine der Herausforderungen, an die Sie bei einem Weltraumteleskop nicht denken, besteht darin, dass es in die Trägerrakete passen muss, was die Herstellung, Montage, das Design des Gehäuses und das elektromechanische Design von allem an Bord zusätzlich einschränkt. Sie müssen von Anfang an für jede Phase planen - verstautes Design, Start, Dekomprimierung, Bereitstellung, Exposition gegenüber dem Vakuum des Weltraums und eine lebenslange Betriebsdauer. Und jedes Projekt hat seine eigenen Herausforderungen.

Techniker und Wissenschaftler überprüfen einen der ersten beiden Flugspiegel des Webb-Teleskops im Reinraum des Goddard Space Flight Center der NASA. Bildnachweis: NASA / Chris Gunn.

Für das James Webb-Weltraumteleskop scheint jede Herausforderung einzigartig zu sein. Die Architektur des Teleskops ist für die Raumfahrt völlig neu. Neu ist die offene Architektur für die Kühlung, bei der das Fahrzeug passiv gekühlt und vor der Sonne geschützt wird. Der fünfschichtige Sonnenschutz ist neu und musste von Grund auf neu gestaltet werden. Dies ist der erste mehrsegmentige Spiegel im Weltraum, was bedeutet, dass nicht nur das Design einzigartig ist, sondern dass für die Bereitstellung auch ein völlig neues Design erforderlich ist. Und die Bedienung des Teleskops - die Entfaltungssequenz - ist selbst ein Wunder der Technik.

Das Entwerfen und Bauen eines solchen Teleskops mit vielen neuen Herausforderungen, denen sich die Menschheit noch nie gestellt hat, ist mehr als nur eine technische Herausforderung. Sie müssen schätzen, wie viel Zeit, Geld und Ressourcen Sie benötigen, um es zu erstellen. Sie können sich nicht darauf verlassen, dass die Dinge so funktionieren, wie Sie sie beim ersten Mal entworfen haben. Sie können sich nicht darauf verlassen, dass Ihre anfängliche Arbeit alle Stresstests besteht. Sie können sich nicht auf eine reibungslose Integration in ein System verlassen, das noch nicht entworfen wurde. Sie müssen die „unbekannten Unbekannten“ abschätzen, wenn Sie Ihr Budget zum ersten Mal entwerfen, und Sie müssen ein Team aufbauen, das sich nicht nur durch das auszeichnet, was es tut, sondern auch durch das Erkennen und Lösen von Problemen, die es nicht hätte vorhersehen können .

Die wissenschaftlichen Instrumente an Bord des ISIM-Moduls werden 2016 abgesenkt und in die Hauptbaugruppe von JWST eingebaut. Bildnachweis: NASA / Chris Gunn.

Darüber hinaus erreichen die verschiedenen Komponenten zu unterschiedlichen Zeiten ihre Fertigstellung. Die vier wichtigsten wissenschaftlichen Instrumente wurden alle unabhängig voneinander von amerikanischen, kanadischen, europäischen und anderen internationalen Partnern gebaut. Das ISIM-Modul wurde bei Goddard gebaut und integriert alle Instrumente in den Rest des Raumfahrzeugs. Die wissenschaftliche Fülle im nahen Infrarot, in der Spektroskopie, in der Fähigkeit, besser als je zuvor (auf mehr als ein Millionstel Grad) und in der Empfindlichkeit zu zeigen, wird beispiellos sein. Aber auch die anderen Komponenten - die Spiegel, der Sonnenschutz und die Baugruppe - haben eine Reihe einzigartiger Herausforderungen, an die Sie vielleicht nie gedacht haben.

Die Installation des 18. und letzten Segments des JWST-Primärspiegels. Die schwarzen Abdeckungen schützen die goldbeschichteten Spiegelsegmente. Bildnachweis: NASA / Chris Gunn.

Die Spiegel. Wenn Sie einen Teleskopspiegel auf der Erde herstellen, können Sie ihn unter den gleichen Bedingungen herstellen, unter denen Sie ihn verwenden. Im Weltraum müssen Sie bei Infrarotwellenlängen eine segmentierte Struktur herstellen, die wie eine glatte, einzelne Oberfläche mit einer Toleranz von 20 Nanometern wirkt. Es muss für den Start leicht und strukturell einwandfrei sein. Um diese Spiegel herzustellen, stellen sie bei Raumtemperatur eine glatte Oberfläche her, weisen jedoch die erforderlichen Eigenschaften bei Temperaturen unter flüssigem Stickstoff auf. Sie stellen es unter der Schwerkraft der Erde her, aber in diesen Maßstäben spielt sogar die Verformung der Schwerkraft eine Rolle. Die Spiegel arbeiten in der Schwerelosigkeit des Weltraums. Sie erzeugen die glatte, polierte, beschichtete Oberfläche vorne, bearbeiten jedoch 92% der Rückseite und schaffen eine 25 Quadratmeter große Oberfläche mit nur 6,25 Tonnen Material: mehr als siebenmal größer als Hubble, aber nur 55% der Hubble-Oberfläche Masse. Die grundlegende Herausforderung besteht darin, dass Sie nur in Ihren eigenen kontrollierten Umgebungen und Ausrichtungen messen können, aber Sie müssen die Spiegel herstellen, um unter Raumflugbedingungen arbeiten zu können. Sobald Sie die ersten erfolgreichen Spiegel hergestellt haben - diejenigen, die alle Tests unter Betriebsbedingungen bestehen -, lösten sich die Spiegel mit erstaunlicher Regelmäßigkeit.

Der erste erfolgreiche Entfaltungstest aller fünf Schichten wurde 2014 durchgeführt und lieferte wertvolle Erkenntnisse, die dazu beitragen, den Erfolg von JWST während des Starts und der Bereitstellung sicherzustellen. Bildnachweis: Northrop Grumman / Alex Evers.

Der Sonnenschutz. Es ist immer eine Herausforderung, ein völlig neues architektonisches Element zu entwickeln. Bis JWST wurden alle Infrarot-Weltraumteleskope aktiv gekühlt: Sie bringen etwas Kühlmittel auf und stellen Ihr Teleskop in einen Kryokühler. Aber dafür ist dieses Teleskop zu groß! Stattdessen entwarfen und bauten sie eine Reihe von geschichteten Schilden, um das Teleskop dauerhaft vor der Sonne zu schützen: JWST wird eine „Sonnenseite“ haben, der die Sonnenschutz- und Sonnenkollektoren zugewandt sind, und eine „Schattenseite“, auf der alle Instrumente und Spiegel untergebracht sind. Das heiße Ende der heißen Seite ist 350 ° C (662 ° F) oder heiß genug, um Blei zu schmelzen, während die kühle Seite am anderen Ende der fünf Schichten kälter sein muss als flüssiger Stickstoff (77 K). Zu den monumentalen Herausforderungen gehörten das Ablassen der Wärme (von den Seiten), das Ablassen der gesamten Luft während des Starts, ohne den Schild zu zerreißen, das Herstellen von Löchern, die sich ausrichten, während sie verstaut sind, sich aber während des Einsatzes nicht überlappen, und das Falten den Sonnenschutz, um die Möglichkeit eines Hakens während des Einsatzes auszuschließen. Das letztendlich erfolgreiche Design war ein Höhepunkt und eine Kombination aus modernen Simulationen / Berechnungen und altmodischen Muster- / Segel- / Kleiderherstellungstechniken. Es war eine einzigartige Mischung aus Spitzentechnologie und Kunstfertigkeit. Am Ende sind es nur fünf Schichten beschichteten Kunststoffs, aber wenn es wie geplant funktioniert, bleibt James Webb weit über seine geplante Lebensdauer von fünf Jahren hinaus in Betrieb.

Der erst letztes Jahr fertiggestellte ISIM-Festkörperstrahler strahlt Wärme vom Instrumentenmodul (ISIM), den wissenschaftlichen Instrumenten und den Wärmebändern ab. Bildnachweis: NASA / Northrop Grumman.

Die Versammlung. Dies ist, was Sie allgemein als das Raumschiff selbst betrachten. Die Versammlung hält das gesamte Observatorium beim Start hoch, steuert und richtet alle verschiedenen Instrumente, Spiegel, Antennen und mehr. Es ist verantwortlich für die gesammelten, empfangenen und übertragenen Daten. Es ist für die Handhabung und Ausrichtung des Raumfahrzeugs verantwortlich. Eine einzigartige Herausforderung besteht darin, dass Strom durch die Baugruppe selbst fließt und verschiedene Teile des Raumfahrzeugs bewegt werden. Dabei wird Wärme erzeugt, und auf der falschen Seite des Sonnenschutzes wird Wärme erzeugt! Das Teleskop zeigt von der Sonne weg, sodass Sie Ihre Abwärme dort nicht ableiten können, während auf der der Sonne zugewandten Seite kein Schatten (und kein Platz zum Abführen von Wärme) vorhanden ist. Die Lösung bestand darin, eine Reihe von Schatten zu entwickeln, um die kritischen Teile des Observatoriums - die Teile, die kühl gehalten werden müssen - vor den anderen Teilen des Raumfahrzeugs zu schützen. Das erfolgreiche Finden, Entwerfen und Ausführen der ultimativen Lösung war einer der größten Nervenkitzel, die ein Ingenieur in seiner Karriere erleben kann.

In diesem Tiefenfeldbild ist eine Vielzahl von Galaxien in Farbe, Morphologie, Alter und inhärenten Sternpopulationen zu sehen. Bildnachweis: NASA, ESA, R. Windhorst, S. Cohen, M. Mechtley und M. Rutkowski (Arizona State University, Tempe), R. O'Connell (Universität von Virginia), P. McCarthy (Carnegie Observatories); N. Hathi (Universität von Kalifornien, Riverside), R. Ryan (Universität von Kalifornien, Davis), H. Yan (Ohio State University) und A. Koekemoer (Space Telescope Science Institute).

Ja, die Wissenschaft wird unglaublich sein. Wie Garth Illingsworth über dieses Teleskop sagte, "werden wir an einem Tag mehr von James Webb Space Telescope lernen, als die Menschheit derzeit weiß", über die ersten Galaxien im Universum. Genau wie das „Hubble Key Project“ nicht einmal der größte Fund war, den das Hubble-Weltraumteleskop gemacht hat, wird JWST, vielleicht mit seinen einzigartigen Fähigkeiten, noch tiefere Geheimnisse über das Universum enthüllen, als wir suchen. In weniger als zwei Jahren werden wir anfangen, es herauszufinden. Aber ohne das Team von Ingenieuren, die all dies mit exquisiter Präzision entworfen, gebaut und ausgeführt haben, hätten wir überhaupt nichts davon. Und nach Oktober 2018 haben Jon Arenberg und alle, die an James Webb gearbeitet haben, ein neues Bild zu teilen.

Eine Ariane 5-Rakete auf dem Launchpad kurz vor dem Start im Oktober 2014 wird dem Start von James Webb im Oktober 2018 sehr ähnlich sein. Bildnachweis: ESA / CNES / Arianespace - Optique Video du CSG - P. Piron.

Eine Ariane 5-Rakete, die im Morgengrauen startet, bringt James Webb in vollem Sonnenlicht an sein Ziel: den L2 Lagrange-Punkt, jenseits des Schattens von Erde und Mond. James Webb wird nur 32 Minuten lang unter Batteriestrom stehen. Danach werden die Solar-Arrays eingesetzt und es wird für immer direktem Sonnenlicht ausgesetzt sein. Die Mission, das Universum zu enthüllen, hat begonnen, und jeder Wissenschaftler und Ingenieur, der beim Entwurf und Bau des Universums mitgewirkt hat, wird seinen feierlichen Moment seines Lebens erleben.

Dieser Beitrag erschien zuerst bei Forbes und wird Ihnen von unseren Patreon-Unterstützern werbefrei zur Verfügung gestellt. Kommentieren Sie unser Forum und kaufen Sie unser erstes Buch: Beyond The Galaxy!