Wie können wir die Kosten großer Weltraumteleskope senken?

Wir alle freuen uns über den Erfolg des James Webb-Weltraumteleskops. Es erfüllt sein Versprechen als unser leistungsstärkstes Teleskop und macht alle möglichen Entdeckungen, auf die wir gewartet und gehofft haben. Doch die Geschichte des JWST ist geprägt von gebrochenen Budgets, wiederholten Anfragen nach mehr Zeit und Geld und Beinahe-Absagen.

Können wir Weltraumteleskope kostengünstiger machen?

Das JWST ist kaum ein Jahr nach Beginn seiner Mission und wir freuen uns bereits auf die nächsten Weltraumteleskope. Die NASA plant und entwickelt bereits das Nancy Grace Roman Space Telescope (ehemals WFIRST) und das Habitable Worlds Observatory (ehemals LUVOIR) für den Start im Jahr 2027 bzw. Ende der 2030er Jahre.

Diese Weltraumteleskope werden wahrscheinlich extrem teuer sein. Ein Forscherteam glaubt jedoch, dass es Möglichkeiten gibt, die Kosten für Weltraumteleskope zu senken. Sie haben einen Artikel mit dem Titel „Ansätze zur Senkung der Kosten großer Weltraumteleskope“ verfasst, in dem sie ihre Gedanken darlegen. Der Hauptautor ist Ewan Douglas, Assistenzprofessor für Astronomie am Steward Observatory der University of Arizona. Sie präsentierten ihr Papier auf der SPIE Optics + Photonics 2023-Konferenz im August. Es ist verfügbar auf der arXiv Preprint-Server.

An der wissenschaftlichen Begründung großer Weltraumteleskope besteht kein Zweifel. Sie liefern Ergebnisse, die auf andere Weise nicht zu erreichen wären. Es besteht auch kein Zweifel an ihren Kosten und ihrer Belastung für das NASA-Budget. Sie können niemals billiger sein als bodengestützte Teleskope, aber bodengestützte Teleskope können einfach nicht die gleiche Leistung erbringen wie Weltraumteleskope.

Niemand möchte auf den wissenschaftlichen Fortschritt leistungsstarker Weltraumteleskope verzichten. Doch der Kritik, dass sie zu teuer werden, ist kaum etwas entgegenzusetzen. Douglas und seine Co-Autoren haben einige Ideen, wie wir mit Weltraumteleskopen weiterhin neue Entdeckungen machen und gleichzeitig die Kosten erträglicher machen können.

Ihre Arbeit konzentriert sich auf ein hypothetisches optisches Spiegellicht mit 6,5 m Durchmesser, das im Weltraum bei Raumtemperatur funktioniert. 6,5 Meter ist die gleiche Größe wie der Spiegel des JWST. Sie zeigen, wie einige Technologien billiger werden, wie einige Spitzentechnologien mittlerweile fast von der Stange sind und wie Raumfahrzeuge wie das Starship von SpaceX es uns ermöglichen, Teleskope mit größeren Primärspiegeln zu starten, ohne komplexe, teure Spiegel wie die von James Webb bauen zu müssen .

Bei bodengestützten Teleskopen kam es nach 1980 zu einem deutlichen Kostenrückgang, und die Forscher sagen, dass dasselbe auch bei Weltraumteleskopen passieren kann. „Forschung und neue Skaleneffekte, die durch frühere Forschungen in den Bereichen Optik, kommerzielle Elektronik und das SpaceX-Raumschiff ermöglicht wurden, könnten daher ähnliche Auswirkungen auf die Weltraumastronomie haben und die Kosten mehrerer großer Observatorien in den Bereich zwischen den NewSpace-Projektionen und dem Boden drücken.“ basierende Observatorien“, schreiben sie. (Sehen NewSpace unter diesem Link.)

Die Einführungsfähigkeiten spielen eine entscheidende Rolle bei den Kosten. Nicht nur die Kosten eines Raketenstarts selbst, sondern auch die Beschränkung der Größe des Hauptspiegels eines Teleskops. Der Hauptspiegel des JWST wurde gefaltet, um in die Nutzlastverkleidung der Ariane 5 zu passen. Das bedeutete, dass es einen komplizierten, teuren und riskanten Spiegel brauchte, der sich entfaltete, während es zu seiner Position reiste. Startbeschränkungen stellten eine erhebliche finanzielle Belastung für die Mission dar.

Aber das Raumschiff von SpaceX sollte in der Lage sein, einen 6,5-Meter-Spiegel in einem Stück zu laden. „Die Verkleidung des SpaceX-Raumschiffs bietet das Potenzial für den direkten Start eines 6,5-m-Teleskops der JWST-Klasse mit einem monolithischen Spiegel, wodurch die Kosten und die Komplexität segmentierter Spiegelkonstruktionen entfallen“, schreiben sie. Wenn das zuverlässig ist, könnte das 6,5-Spiegel-Design in mehreren Teleskopen verwendet werden. Der Großteil der Kosten für den Bau eines 6,5-Meter-Spiegels entfällt auf das primäre optische Material, und Wabenspiegel aus Borosilikat sind relativ kostengünstig. Anstatt also jeden Spiegel individuell zu entwerfen und zu bauen, könnten wir eine Art Größenvorteil erzielen.

Die Autoren sagen, dass es einen standardmäßigen 6,5-Meter-Spiegel gibt, der fast den Ansprüchen genügt: „… der praxiserprobte 6,5-m-Leichtwabenspiegel aus Borosilikatspiegel von Richard F. Caris Mirror Lab ohne Modifikation.“ Waben haben die gleichen Vorteile wie andere massive Gegenstücke, sind jedoch leichter und können deutlich größer sein. Borosilikatglas wird verwendet, weil es der Wärmeausdehnung widersteht, bei niedrigen Temperaturen formbar ist und relativ kostengünstig ist. Zum Vergleich: Der Spiegel des JWST besteht aus Beryllium und ist mit einer dünnen Goldschicht beschichtet.

Ein Borosilikatspiegel in einem Weltraumteleskop würde eine adaptive Optik erfordern. Aber dies ist ein weiterer Bereich, in dem bodengestützte Teleskope ein Testgelände waren. Die Technologie der adaptiven Optik und Wellenfrontkontrolle wird immer besser und kann an ein 6,5-Meter-Weltraumteleskop angepasst werden. Neuere, schnellere CMOS-Sensoren helfen auch dabei, Bildverzerrungen zu vermeiden, da sie weniger Zeit für die Bildaufnahme benötigen und außerdem immer größer und billiger werden.

Anders als die Erdoberfläche ist der Weltraum eine für alle freie Strahlung. Elektronik muss in dieser Umgebung funktionieren können, ebenso wie Software. „In der Vergangenheit liefen speziell entwickelte Flugcomputer in Assemblersprache und erforderten kostspielige und Nischensoftware-Entwicklungsfähigkeiten“, schreiben die Autoren. Aber das ändert sich. Kommerzielle Standardelektronik (COTS) wird mittlerweile in Weltraummissionen eingesetzt, ebenso wie gängige Betriebssysteme. Beispielsweise läuft der Mars Ingenuity Helicopter unter Linux, ebenso wie einige Wellenfront-Kontrollsysteme auf CubeSats.

Das JWST sitzt am Sonne-Erde-L2, um seine Geschäfte zu erledigen. Damit seine leistungsstarken IR-Sensoren wirksam sind, muss es sich in einer thermisch stabilen Umgebung befinden. Allerdings kostet es mehr, das Teleskop dorthin zu bringen, und es benötigt mehr Energie, um seine Daten zu übertragen. Douglas und seine Kollegen sagen, dass es zumindest für optische Teleskope eine andere Option gibt, die von TESS verwendet wird.

TESS befindet sich in einem Zeitraum von 13,7 Tagen in einer hohen Erdumlaufbahn (HEO). Um dorthin zu gelangen, nutzte es die Schwerkraftunterstützung des Mondes, was dazu beitrug, die Startkosten zu senken. „Die TESS HEO-Umlaufbahn bietet eine große kontinuierliche Himmelsabdeckung in einer thermisch stabilen Umgebung mit geringer Strahlung und relativ niedrigem Delta V, was den Antriebsbedarf für Weltraumobservatorien senkt und die potenzielle Datenabwärtsverbindung im Vergleich zu L2-Umlaufbahnen bei gleicher Sendeleistung erhöht.“ Die Umlaufbahn von TESS sollte über Jahrzehnte oder länger stabil sein, ohne dass ein Antrieb erforderlich wäre.

Einige Fortschritte im Teleskopdesign senken die Kosten, ohne dass dies direkt mit der Technologie verbunden ist. Bedeutende Entwicklungen in den Designprozessen haben zu optimierten Verfahren und reduzierten Kosten durch Zeitersparnis geführt. „In den letzten Jahrzehnten haben Fortschritte in den Entwicklungsprozessen für Software mit Versionskontrolle, Projektmanagement, testbasiertem Design sowie kontinuierlicher Integration und Bereitstellung das Entwicklungstempo immer komplexerer Software erhöht“, heißt es in dem Papier.

Die Dokumentenverwaltung weckt bei den meisten von uns vielleicht nicht viel Begeisterung, ist aber ein Beispiel für einen entscheidenden Teil des Teleskopdesignprozesses, der von Verbesserungen und geringeren Kosten profitieren kann. Es dauert Jahrzehnte, bis Tausende von Menschen mit speziellen Fähigkeiten ein Weltraumteleskop entwerfen, bauen und starten. Optimierte Kommunikationsmethoden können dazu beitragen, die Kosten zu senken. Die Autoren nennen Beispiele wie maschinenlesbare Dokumente und die Verwendung des Open-Source-JSON-Dateiformats und seiner Schemata zur Fehlerreduzierung. Sogar die Änderungsverfolgung und die automatisierte Verteilung von Dokumenten können verbessert werden, um die Kosten zu senken. „Diese Tools machen einen iterativen, prototyplastigen Designprozess praktikabler, da gewonnene Erkenntnisse auf natürliche Weise erfasst werden“, erklären sie.

Einige der beschriebenen Änderungen wurden bereits in SmallSats, CubeSats und in einigen Fällen sogar in größeren Projekten wie dem Nancy Grace Roman Space Telescope verwendet. Tatsächlich bieten SmallSats einen ermutigenden Einblick, wie wir die Kosten senken können, ohne die Wissenschaft zu beeinträchtigen.

Das Papier befasst sich mehr mit technischen Details, auch wenn die Autoren sagen, dass es sich hierbei um einen vorläufigen Blick auf das Thema handelt und dass künftige Papiere noch tiefer gehen werden. Aber sie haben gezeigt, dass es einen Weg nach vorne gibt, bei dem wir die Astronomie und Astrophysik weiter vorantreiben können, ohne explodierende Budgets zu schaffen.

„Zukünftige Arbeiten werden Einzelheiten darüber liefern, wie ein solches Observatorium entstehen könnte, zusätzliche Strategien zur Risikominderung, detaillierte Instrumentendesigns und die Umweltanforderungen darstellen, die erforderlich sind, damit ein Waben-Borosilikatspiegel den Start übersteht“, schließen sie.