Teleskope, die für den Einsatz im Weltraum konzipiert sind, müssen anders konstruiert sein als solche, die für den Betrieb auf der Erde vorgesehen sind. Aber was ist mit Teleskopen, die dazwischen operieren?
Eine bevorstehende NASA-Mission wird einen Ballon verwenden, der größer als ein Fußballfeld ist, um ein Teleskop 130.000 Fuß (etwa 40.000 Meter) über die Antarktis zu schicken. Aus dieser Höhe wird das Teleskop ein Phänomen untersuchen, das die Sternentstehung in einigen Galaxien abwürgt und sie effektiv tötet.
Die Mission mit dem Namen Astrophysics Stratospheric Telescope for High Spectral Resolution Observations at Submillimeter-wavelengths oder ASTHROS wird einen Primärspiegel (das wichtigste Lichtsammelwerkzeug dieses Teleskops) verwenden, der der größte ist, der jemals auf einem Höhenballon geflogen ist. Der Bau des 2,5 Meter hohen Spiegels wurde diesen Monat abgeschlossen. Design und Bau erwiesen sich aufgrund zweier Hauptanforderungen als herausfordernd: Der Spiegel und seine Stützstruktur müssen außergewöhnlich leicht sein, um mit dem Ballon transportiert zu werden, und dennoch stark genug, um zu verhindern, dass die Schwerkraft der Erde seine nahezu perfekte parabolische Form um mehr als etwa 0,0001 verformt Zoll (2,5 Mikrometer) – ein Bruchteil der Breite eines menschlichen Haares.
ASTHROS wird vom Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien verwaltet und soll frühestens im Dezember 2023 starten und bis zu vier Wochen lang den Südpol umkreisen. Das Scientific Balloon Program der NASA, das von der Wallops Flight Facility der Agentur in Virginia betrieben wird, startet jedes Jahr 10 bis 15 Ballonmissionen. Diese Missionen kosten in der Regel weniger als Weltraummissionen und benötigen weniger Zeit, um von der frühen Planung bis zum Einsatz zu gelangen, und sie verwenden neue Technologien, die bei zukünftigen Weltraummissionen eingesetzt werden können.
Hoch oben in der Stratosphäre wird ASTHROS Lichtwellenlängen beobachten, die von der Erdatmosphäre blockiert werden, in einem Bereich, der als fernes Infrarot bezeichnet wird. Sein großer Spiegel verbessert die Fähigkeit des Teleskops, schwächere Lichtquellen zu beobachten und feinere Details dieser Quellen aufzulösen.
Diese Fähigkeiten sind für den Ansatz der Mission zur Untersuchung der stellaren Rückkopplung von entscheidender Bedeutung, dem Prozess, bei dem Gas- und Staubwolken – die Zutaten für die Sternentstehung – in Galaxien zerstreut werden, manchmal bis zu dem Punkt, an dem die Sternentstehung vollständig zum Erliegen kommt. Viele Prozesse tragen zur Rückkopplung bei, einschließlich Eruptionen von lebenden Sternen und der explosive Tod massereicher Sterne als Supernovae. ASTHROS wird mehrere Sternentstehungsregionen in unserer Galaxie untersuchen, in denen diese Prozesse stattfinden, und hochauflösende 3D-Karten der Verteilung und Bewegung von Gas erstellen. Die Mission wird auch entfernte Galaxien mit Millionen von Sternen untersuchen, um zu sehen, wie sich Rückkopplungen in großem Maßstab und in verschiedenen Umgebungen auswirken.
„Es ist schwierig, die Rückkopplung von ihrem Ursprung auf der Ebene einzelner Sterne bis zu ihrer Wirkung auf der Ebene von Galaxien zu untersuchen“, sagte Jorge Pineda, Hauptforscher für ASTHROS am JPL. „Mit einem großen Spiegel können wir diese beiden verbinden.“
Die Herausforderung meistern
Die NASA beauftragte Media Lario, ein Optikunternehmen in Italien, mit der Entwicklung und Herstellung der vollständigen Teleskopeinheit von ASTHROS, einschließlich eines Hauptspiegels, eines Sekundärspiegels und einer tragenden Struktur (als Wiege bezeichnet). Media Lario hatte zuvor ein einzigartiges Verfahren zur Herstellung leichter Infrarot- und optischer Teleskopspiegel entwickelt, mit dem das Unternehmen viele der Platten für die Primärspiegel des Atacama Large Millimeter Array, einer Gruppe von 66 bodengestützten Teleskopen in Chile, herstellte.
Der ASTHROS-Hauptspiegel besteht aus neun Platten, die wesentlich einfacher herzustellen sind als ein einteiliger Spiegel. Der Großteil der Spiegelplatten besteht aus leichtem Aluminium, das zu einer Wabenstruktur geformt ist, die seine Gesamtmasse reduziert. Die Plattenoberflächen bestehen aus Nickel und sind mit Gold beschichtet, was das Reflexionsvermögen des Spiegels bei Wellenlängen im fernen Infrarot verbessert.
Da das ASTHROS-Team die Ausrichtung der Paneele nach dem Abheben des Teleskops nicht mehr feinabstimmen kann, muss die Halterung des Spiegels leicht, aber dennoch außergewöhnlich stark und steif sein, um Verformungen zu vermeiden. Kohlefaser würde den Zweck erfüllen. Um die Halterung und andere Strukturkomponenten zu bauen, wandte sich Media Lario an lokale Unternehmen in Italien, die normalerweise spezialisierte Strukturen für wettbewerbsfähige Rennboote und -autos herstellen.
„Ich denke, dies ist wahrscheinlich das komplexeste Teleskop, das jemals für eine Ballonmission in großer Höhe gebaut wurde“, sagte Jose Siles, der ASTHROS-Projektmanager am JPL. „Wir hatten ähnliche Spezifikationen wie ein Weltraumteleskop, aber mit einem engeren Budget, Zeitplan und geringerer Masse. Wir mussten Techniken von bodengestützten Teleskopen, die in ähnlichen Wellenlängen beobachten, mit fortschrittlichen Herstellungstechniken kombinieren, die für professionelle Rennsegelboote verwendet werden. Es ist ziemlich einzigartig.“
Media Lario wird die komplette Teleskopeinheit Ende Juli an die NASA liefern. Danach wird das ASTHROS-Team es in die Gondel (die Struktur, die die gesamte Nutzlast hält und am Ballon befestigt ist) und andere Schlüsselkomponenten integrieren. Dann beginnen sie mit einer Reihe von Tests, um sicherzustellen, dass alles flugbereit ist.