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Das Hubble Weltraumteleskop

Das Hubble-Weltraumteleskop (engl. Hubble Space Telescope, kurz HST) ist ein Weltraumteleskop für sichtbares Licht, Ultraviolett- und Infrarotstrahlung, das die Erde in 590 Kilometer Höhe innerhalb von 97 Minuten einmal umkreist. Das Teleskop entstand aus der Zusammenarbeit von NASA und ESA und wurde nach dem US-Astronomen Edwin Hubble benannt.

Allgemeines über das Hubbel-Teleskop

Das HST wurde am 24. April 1990 mit der Space-Shuttle-Mission STS-31 gestartet und am nächsten Tag aus dem Frachtraum der Discovery gehoben. Nachdem ein Problem mit einem der zwei Solarpaneele, das sich zunächst nicht entfalten wollte, behoben werden konnte, wurde das HST ausgesetzt.

Der Betrieb eines Teleskops außerhalb der Erdatmosphäre hat große Vorteile, da deren Filterwirkung auf bestimmte Wellenlängen im elektromagnetischen Spektrum, zum Beispiel im Ultraviolett und im Infrarot, entfällt. Es treten auch keine Störungen durch Luftbewegungen auf (Szintillation), die bei terrestrischen Teleskopen nur mit großem Aufwand ausgeglichen werden können.

Die Bildqualität des Hubble-Weltraumteleskops war in den ersten Betriebsjahren durch einen Herstellungsfehler des Hauptspiegels begrenzt, der 1993 mit Hilfe des COSTAR-Spiegelsystems erfolgreich korrigiert werden konnte. Seitdem wurden mit Hilfe des HST Bilder gemacht, die oft eine starke Wirkung auf die Öffentlichkeit haben und die zu Ergebnissen mit großer wissenschaftlicher Bedeutung führen. Die anfänglichen Betriebsschwierigkeiten und die zeitbedingten Abnutzungen der elektronischen Geräte führten dazu, dass bereits drei Wartungsmissionen (STS-61, STS-82 und STS-103) zum Weltraumteleskop unternommen wurden.

Geschichte des Weltraum-Teleskopes

Bereits der deutsche Raketenpionier Hermann Oberth wies auf die Möglichkeiten eines Teleskops im Weltraum hin. Konkretere Formen nahmen diese Vorstellungen erstmals 1946 an, als Lyman Spitzer unter dem Eindruck der V2-Raketenentwicklung ein Konzept vorlegte, astronomische Beobachtungen von oberhalb der Erdatmosphäre durchzuführen. Der US-Astrophysiker Spitzer war auch die treibende Kraft hinter Studien aus den 1960er Jahren für ein „Large Space Telescope“ mit einem Spiegeldurchmesser von 3,0 Metern, die schließlich in das HST-Projekt der NASA mündeten.

Angeregt durch die Erfolge der ersten NASA-Teleskope in der Erdumlaufbahn – OAO-1 (Orbiting Astronomical Observatory) wurde 1966 gestartet – versammelte die US-Raumfahrtbehörde 1971 eine Gruppe von Wissenschaftlern. Sie sollte einen konkreten Entwurf für ein orbitales Teleskop und dessen Instrumentierung vorlegen. Die sogenannte Large Space Telescope Science Steering Group veranschlagte die Kosten auf 400 bis 500 Millionen US-Dollar für ein 3-Meter-Weltraumteleskop. Zunächst gelang es der NASA nicht, vom Kongress die Mittel zu bekommen.

Die gesamte Planung wurde Anfang 1972 dem Marshall Space Flight Center (MSFC) in Alabama übertragen, während die wissenschaftliche Projektführung beim Goddard Space Flight Center (GSFC) in Maryland lag. Obwohl die Leitung wegen seiner wissenschaftlichen Kompetenz vom GSFC wahrgenommen werden sollte, hatte dieses nicht genügend Kapazitäten frei. Das NASA-Zentrum in Alabama dagegen konnte zwar nicht einen einzigen Astronomen vorweisen, hatte dafür aber Managementerfahrung und ausreichend freie Mitarbeiter, die das Großprojekt betreuen konnten.

Mit dem Zuschlag vom NASA-Hauptquartier legte das MSFC im Frühjahr 1972 sein Konzept des Large Space Telescope (LST) vor. Es bestand aus drei Teilen, die aufeinander aufbauten: ein Ingenieurmodell, ein kleinerer Satellit mit einem 1,5-Meter-Spiegel und schließlich das eigentliche 3,0-Meter-Teleskop. Da die Kostenschätzungen von 570 bis 715 Millionen US-Dollar ausgingen, wurde dieser Vorschlag noch im gleichen Jahr verworfen.

Teuer war auch der ursprüngliche Entwurf der Handhabung von Reparaturen. Danach sollte das LST in der Umlaufbahn während der Wartung in eine eigens konzipierte Kabine gebracht werden, die druckgeregelt war. Darin hätten von den Astronauten die Arbeiten vorgenommen werden sollen. Um Kosten zu sparen, wollte man nach dem nächsten Konzept den gesamten Satelliten im Falle umfangreicher Reparaturen vom Shuttle einfangen und zur Erde bringen lassen. So konnte das Teleskop einfacher konstruiert werden. In Verbindung auf den Verzicht auf ein LST-Vorläufermodell veranschlagte man nun maximal 345 Millionen Dollar.

Auch dieser Betrag wurde im August 1974 vom US-Kongress abgelehnt. Die NASA erhielt stattdessen die Auflage, das Projekt weiter zu verkleinern und sich um internationale Beteiligungen zu bemühen. Das MSFC wurde beauftragt, das Konzept so weit „einzudampfen“, dass eine Kostengrenze von 300 Millionen Dollar nicht überschritten werde.

Im Herbst 1974 trat die US-Raumfahrtbehörde an die Vorgängerin der ESA heran und bot dieser an, sich zu beteiligen. Nach einem Grundsatzabkommen aus dem Jahr 1975 unterzeichneten ESA und NASA im Oktober 1977 den Kooperationsvertrag. Die Europäer übernahmen 15 Prozent der Kosten gegen Zusicherung eines entsprechenden Mindestanteils an Beobachtungszeit für europäische Astronomen. Dafür fertigte die ESA ein wissenschaftliches Instrument (Faint Object Camera) sowie die Solarpaneele, die die Energie für das LST liefern.

Nachdem die Kapazitätsberechnungen für den in der Entwicklung befindlichen Space Shuttle konkretisiert wurden, stand Ende 1974 fest, dass das Weltraumteleskop kleiner werden musste, weil der Orbiter nicht in der Lage gewesen wäre, ein 3-Meter-Teleskop zu transportieren. In Rücksprache mit den beteiligten Wissenschaftlern wurde der Spiegeldurchmesser um 60 Zentimeter auf 2,4 Meter verkleinert. Zusammen mit einer Verringerung von sieben auf vier Instrumente sollte das Projekt nun 273 Millionen Dollar kosten. Gleichzeitig nahm man eine Namensänderung vor und verzichtete auf das Wort „Large“ – ab diesem Zeitpunkt hieß das Projekt nur Space Telescope (ST). Im Jahr 1977 bewilligte der US-Kongress endlich das Vorhaben und machte die ersten 36 Millionen Dollar frei.

Im Januar 1981 wurde entschieden, dass die Verantwortung für den wissenschaftlichen Betrieb beim Space Telescope Science Institute (STScI) liegen sollte, das zwei Jahre später seine Arbeit aufnahm. Die Europäer richteten 1984 für die Koordination ihrer Beobachtungen in Garching bei München die Space Telescope European Coordinating Facility ein. Gesteuert wird das HST vom Space Telescope Operations Control Center des GSFC.

Die Lockheed Missiles and Space Company in Sunnyvale (Kalifornien) wurde im Juli 1977 vom MSFC zum Hauptauftragnehmer bestimmt, der Bau des Spiegels wurde der Perkin-Elmer Corporation in Danbury (Connecticut) übertragen. Damit waren die Mitbieter Boeing Aerospace und Martin Marietta (Satellit) sowie Itek (Spiegel) aus dem Rennen.

Wegen der Bedeutung des HST gab die NASA zwei Spiegel in Auftrag – für den Fall, dass einer beschädigt wurde, hatte man den anderen als Ersatz. Corning Glass Works in Corning (New York) stellte zwei identische Rohlinge her. Jeder hatte einen Durchmesser von 2,47 Meter, war 33 Zentimeter hoch und wog 1,1 Tonnen. Einen Spiegel erhielt Perkin-Elmer, der andere wurde an die Eastman Kodak Company in Rochester (New York) geliefert. Die weitere Verarbeitung sowie die Montage der beiden Teleskophalterungen lagen in der Verantwortung von Kodak und Perkin-Elmer.

Beide Firmen gingen an ihren Auftrag unterschiedlich heran: während Kodak nach herkömmlicher Art arbeitete, wandte man in Connecticut mit laserunterstütztem Schleifen ein innovatives Verfahren an.

Obwohl der Spiegel von Kodak augenscheinlich besser geeignet war, wurde er nicht verwendet.

Die Schwierigkeiten beim Hubble-Teleskop

Der Start war zuerst für August 1986 mit dem Space-Shuttle-Flug STS-61-J unter dem Kommando von John Young vorgesehen, der dann als erster Mensch seinen siebten Raumflug absolviert hätte. Nach der Challenger-Katastrophe im Januar 1986 wurden jedoch alle Shuttleflüge ausgesetzt. Der Start des Teleskops verzögerte sich um fast vier Jahre, erst im April 1990 wurde es in die Erdumlaufbahn gebracht.

Zunächst konnte das Teleskop nicht wie geplant verwendet werden, weil es nur unscharfe Bilder zur Erde sandte. Am 20. Mai 1990 erstellte das HST mit der Wide Field/Planetary Camera sein erstes Bild. Diese Aufnahme des offenen Sternenhaufens IC 2602 im Sternbild Kiel des Schiffs war verschwommen. Was man zunächst als einen Einstellungsfehler ansah, entwickelte sich bald zu einem wirklichen Problem, denn jedes Bild war unscharf.

Wie sich bald herausstellte, war der Hauptspiegel des Teleskops falsch geschliffen. Dies lag an einer unbemerkt gebliebenen abgeplatzten Farbschicht unter einer Befestigungsschraube an der Testeinrichtung (einem sogenannten Nullkorrektor), mit der die computergesteuerten Schleifmaschinen kalibriert wurden, indem nach jedem Schleifgang der Spiegel vermessen wurde und aufgrund der ermittelten Daten der weitere Schleifvorgang programmiert wurde. Der Spiegel hatte zum Rand hin eine Abweichung von 2,5 µm, die zu deutlichen Bildfehlern („sphärischer Aberration“) führte. Eine nachträgliche Korrektur erfolgte durch das COSTAR-Spiegelsystem, da der Fehler rekonstruiert werden konnte und der Spiegel sehr genau in dieser falschen Form positioniert wurde.

Wartung und Reperaturen des Teleskopes

Während eines späteren Einsatzes des Shuttles wurde der Spiegel- fehler dann mit Hilfe des COSTAR-Linsensystems ausgeglichen. Hier zeigten sich die Vorteile des ORU-Konzeptes, das eine Reparatur und Wartung des Teleskops in regelmäßigen Abständen vorsah. Bisher fanden insgesamt drei Wartungsmissionen statt. Die entscheidende Spiegelkorrektur erfolgte während der ersten Mission (STS-61) im Dezember 1993. Weiterhin startete unter anderem am 17. Dezember 1999 die Raumfähre Discovery zur Mission STS-103, wobei die Astronauten das HST während insgesamt über 24 Stunden an Außeneinsätzen generalüberholten: Neben neuen Kreiseln für die Lageregelung erhielt das Weltraumteleskop neue Antennen, neue Bauteile in der Energieversorgung, bessere Sensoren und einen leistungsfähigeren Computer.

Das Teleskop sollte im Jahr 2006 oder 2007 durch eine letzte Service-Mission überholt und im Jahr 2010 außer Betrieb genommen werden. Nach dem Absturz der Raumfähre Columbia im Jahr 2003 wurde diese Mission zunächst mit Verweis auf Sicherheitsrisiken abgesagt. Am 31. Oktober 2006 gab die NASA bekannt, dass diese Mission mit der Bezeichnung STS-125 doch durchgeführt werden soll. Der erhoffte wissenschaftliche Nutzen würde das Restrisiko einer bemannten Service-Mission rechtfertigen, so NASA-Chef Michael Griffin. Am 13. Juni 2007 legte die NASA den Termin für diese Mission, welche durch die Raumfähre Atlantis ausgeführt werden wird, auf den 8. Oktober 2008 fest. Das Risiko dieser Service-Mission soll so gering wie möglich gehalten werden. Da ein Erreichen der Internationalen Raumstation (ISS) aus der Umlaufbahn von Hubble für ein Space Shuttle nicht möglich ist, wird sich die Endeavour für einen launch on need-Flug bereithalten um für eine eventuell notwendige Rettungsmission startbereit zur Verfügung zu stehen (vergl. STS-400).

Am 28. September 2008 kurz nach 0h UTC fiel die Seite A der bisher einzig genutzten primäre Control Unit/Science Data Formatter des Hubble aus, so dass seitdem keine wissenschaftlichen Daten mehr zur Erde übertragen werden konnten. Am 15. Oktober konnten das Hubble Teleskop nach Umkonfiguration reaktiviert werden und erstmals Testdaten über die Ersatzeinheit Seite B übertragen werden. Erste Bilder mit der umkonfigurierten Wide Field Planetary Camera 2 konnten am 27./28. Oktober aufgenommen werden. Der Steuer- und Datenübertragungsrechner der Seite B war seit den Tests vor dem Start Ende 1990 nicht in Betrieb. Der Starttermin für die STS-125 Servicemission ist auf Mai 2009 verschoben worden, um den Ersatz für die ausgefallene Einheit zu zertifizieren und dann installieren zu können.

Während der Wartungsmission sollen alle sechs Gyroskope (Einrichtungen zur Lageregelung des Teleskops) und alle sechs Batterien ausgewechselt werden. Des Weiteren ist ein neuer Sensor zum Anvisieren von Himmelsobjekten geplant. An verbesserten Forschungsgeräten ist eine neue Kamera und ein neues Spektrometer vorgesehen. Sollte diese Service-Mission ein Erfolg werden, gilt der Betrieb des Hubble-Teleskops bis mindestens ins Jahr 2012 als gesichert. Ein Nachfolgeprojekt, das James Webb Space Telescope, wird frühestens 2011 seinen Betrieb aufnehmen. Es wird speziell für den Infrarot- und nahen Infrarot-Bereich ausgelegt, damit das stark rotverschobene Licht erster Sterne und Galaxien nach dem Urknall und der häufig durch Staub verdeckte innere Bereich von Galaxien und Sternentstehungsgebieten besser untersucht werden kann.

Technische Daten vom Hubbel-Teleskop

Das HST wiegt 11,6 Tonnen, ist 13,1 Meter lang und hat einen maximalen Durchmesser von 4,3 Metern. Seine Konstruktion ist die eines Spiegelteleskops vom Typ Ritchey-Chrétien mit zwei hyper- bolischen Spiegeln. Der Hauptspiegel weist einen Durchmesser von 2,4 Metern auf und die effektive Brennweite des Systems beträgt 57,6 Meter. Die zum Betrieb notwendige elektrische Leistung (durchschnittlich 2.800 Watt) wird mit Solarzellen erzeugt.

Von Anfang an war das Hubble-Weltraumteleskop so konstruiert, dass von Astronauten Reparaturen ausgeführt und verbesserte Beobachtungsinstrumente eingesetzt werden konnten. Dieses Design wird ORU-Konzept genannt und wurde hier erstmals bei einem unbemannten Raumfahrtsystem angewendet. Mehrere Wartungs- flüge waren notwendig, um die Mängel bei der Herstellung des Teleskops zu korrigieren und ausgefallene Gyroskope zur Stabilisation zu ersetzen. Da das Teleskop ständig ein wenig an Höhe verliert, wird es bei jedem Wartungsflug wieder auf eine etwas höhere Umlaufbahn gebracht.

Dieser Bericht unterliegt der GNU Lizens für freie Dokumentation

by Klaus     www.mysterylands.eu