Ingenieure führen im Goddard Space Flight Center der NASA nach dem Abflug aus Großbritannien die Abnahme des mittleren Infrarotinstruments des James-Webb-Weltraumteleskops durch.
Die JPL-Flugtechniker Johnny Melendez (rechts) und Joe Mora inspizieren den MIRI-Kryokühler, bevor er an Northrop Grumman in Redondo Beach, Kalifornien, verschickt wird. Dort wird der Kühler am Gehäuse des Webb-Teleskops befestigt.
Dieser Teil des MIRI-Instruments, der im Appleton Laboratory in Rutherford, Großbritannien, zu sehen ist, enthält Infrarotdetektoren. Der Kryokühler befindet sich in einiger Entfernung vom Detektor, da er bei einer höheren Temperatur arbeitet. Ein Rohr, das kaltes Helium führt, verbindet die beiden Bereiche.
MIRI (links) steht auf einem Balancierbalken bei Northrop Grumman in Redondo Beach, während Ingenieure die Befestigung mit einem Brückenkran am Integrated Scientific Instrument Module (ISIM) vorbereiten. Das ISIM ist das Herzstück des Webb-Teleskops, die vier wissenschaftlichen Instrumente, die das Teleskop beherbergen.
Bevor das MIRI-Instrument – ​​eines der vier wissenschaftlichen Instrumente des Observatoriums – in Betrieb genommen werden kann, muss es auf nahezu die niedrigste Temperatur abgekühlt werden, die Materie erreichen kann.
Das James-Webb-Weltraumteleskop der NASA, dessen Start für den 24. Dezember geplant ist, ist das größte Weltraumobservatorium der Geschichte und steht vor einer ebenso gewaltigen Aufgabe: Infrarotlicht aus den entlegensten Winkeln des Universums zu sammeln, um Wissenschaftlern die Erforschung der Struktur und des Ursprungs des Universums zu ermöglichen. Unser Universum und unser Platz darin.
Viele kosmische Objekte – darunter Sterne und Planeten sowie das Gas und der Staub, aus denen sie bestehen – emittieren Infrarotlicht, auch Wärmestrahlung genannt. Das gilt aber auch für die meisten anderen warmen Objekte, wie Toaster, Menschen und Elektronik. Daher können die vier Infrarotinstrumente des Webb-Teleskops ihr eigenes Infrarotlicht messen. Um diese Emissionen zu reduzieren, muss das Instrument sehr kalt sein – etwa 40 Kelvin oder minus 233 Grad Celsius. Für eine korrekte Funktion müssen die Detektoren im Mittel-Infrarot-Instrument (MIRI) jedoch noch weiter abgekühlt werden: unter 7 Kelvin (minus 266 Grad Celsius).
Das sind nur wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt (0 Kelvin) – der theoretisch niedrigsten möglichen Temperatur, die jedoch physikalisch nie erreicht werden kann, da sie die völlige Abwesenheit jeglicher Wärme darstellt. (MIRI ist jedoch nicht das kälteste bildgebende Instrument, das im Weltraum im Einsatz ist.)
Die Temperatur ist im Wesentlichen ein Maß für die Bewegungsgeschwindigkeit von Atomen. Zusätzlich zur Erfassung ihres eigenen Infrarotlichts können die Webb-Detektoren auch durch ihre eigenen thermischen Schwingungen ausgelöst werden. MIRI detektiert Licht in einem niedrigeren Energiebereich als die anderen drei Instrumente. Daher reagieren seine Detektoren empfindlicher auf thermische Schwingungen. Diese unerwünschten Signale bezeichnen Astronomen als „Rauschen“, und sie können die schwachen Signale, die Webb zu erfassen versucht, überlagern.
Nach dem Start wird Webb eine tennisplatzgroße Schutzabdeckung ausfahren, die MIRI und andere Instrumente vor der Sonnenhitze schützt und so deren passive Kühlung ermöglicht. Etwa 77 Tage nach dem Start benötigt der Kryokühler von MIRI 19 Tage, um die Temperatur der Detektoren des Instruments auf unter 7 Kelvin zu senken.
„Auf der Erde ist es relativ einfach, Dinge auf diese Temperatur abzukühlen, oft für wissenschaftliche oder industrielle Anwendungen“, sagte Konstantin Penanen, Kryokühler-Experte am Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien, das das MIRI-Instrument für die NASA betreibt. „Diese erdgebundenen Systeme sind jedoch sehr sperrig und energieineffizient. Für ein Weltraumobservatorium benötigen wir einen Kühler, der kompakt, energieeffizient und äußerst zuverlässig ist, da wir ihn nicht vor Ort reparieren können. Das sind die Herausforderungen, vor denen wir stehen. In dieser Hinsicht würde ich sagen, dass die Kryokühler von MIRI definitiv führend sind.“
Eines der wissenschaftlichen Ziele des Webb-Teleskops ist die Untersuchung der Eigenschaften der ersten Sterne, die im Universum entstanden sind. Die Nahinfrarotkamera des Webb-Teleskops, das Instrument NIRCam, wird in der Lage sein, diese extrem weit entfernten Objekte zu erfassen, und MIRI wird Wissenschaftlern helfen zu bestätigen, dass es sich bei diesen schwachen Lichtquellen um Ansammlungen von Sternen der ersten Generation handelt und nicht um Sterne der zweiten Generation, die sich später in der Entwicklung einer Galaxie gebildet haben.
Durch die Untersuchung von Staubwolken, die dichter sind als die von Nahinfrarot-Instrumenten erfassten, wird MIRI die Entstehungsorte von Sternen aufdecken. Es wird außerdem Moleküle nachweisen, die häufig auf der Erde vorkommen – wie Wasser, Kohlendioxid und Methan – sowie Moleküle von Gesteinsmineralien wie Silikaten – in den kühlen Umgebungen naher Sterne, wo Planeten entstehen könnten. Nahinfrarot-Instrumente sind besser darin, diese Moleküle als Dämpfe in heißeren Umgebungen zu erfassen, während MIRI sie als Eis sichtbar macht.
„Durch die Kombination von US-amerikanischer und europäischer Expertise haben wir MIRI als die treibende Kraft des Webb-Teleskops entwickelt, das es Astronomen aus aller Welt ermöglichen wird, große Fragen darüber zu beantworten, wie Sterne, Planeten und Galaxien entstehen und sich entwickeln“, sagte Gillian Wright, Co-Leiterin des MIRI-Wissenschaftsteams und europäische Hauptforscherin für das Instrument am UK Astronomical Technology Centre (UK ATC).
Der Kryokühler des MIRI nutzt Heliumgas – genug, um etwa neun Luftballons zu füllen –, um die Wärme von den Detektoren des Instruments abzuführen. Zwei elektrische Kompressoren pumpen Helium durch ein Rohr, das bis zum Detektor reicht. Das Rohr verläuft durch einen Metallblock, der ebenfalls mit dem Detektor verbunden ist. Das gekühlte Helium absorbiert überschüssige Wärme vom Block und hält so die Betriebstemperatur des Detektors unter 7 Kelvin. Das erwärmte (aber immer noch kalte) Gas kehrt dann zum Kompressor zurück, gibt die überschüssige Wärme ab, und der Kreislauf beginnt von neuem. Im Prinzip ist das System vergleichbar mit dem in Haushaltskühlschränken und Klimaanlagen.
Die Heliumleitungen bestehen aus vergoldetem Edelstahl und haben einen Durchmesser von weniger als 2,5 mm. Sie erstrecken sich über etwa 10 Meter vom Kompressor im Raumschiffbus bis zum MIRI-Detektor im optischen Teleskopelement hinter dem wabenförmigen Hauptspiegel des Observatoriums. Eine sogenannte ausklappbare Turmbaugruppe (DTA) verbindet die beiden Bereiche. Vor dem Start wird die DTA, ähnlich einem Kolben, zusammengedrückt, um das verstaute Observatorium in die Schutzhülle auf der Rakete einzusetzen. Im Weltraum fährt der Turm aus, trennt den Raumschiffbus mit Raumtemperatur von den kühleren Instrumenten des optischen Teleskops und ermöglicht so die vollständige Entfaltung von Sonnenschutz und Teleskop.
Diese Animation zeigt die ideale Durchführung der Entfaltung des James-Webb-Weltraumteleskops Stunden und Tage nach dem Start. Die Ausdehnung der zentralen ausfahrbaren Turmbaugruppe vergrößert den Abstand zwischen den beiden Teilen des MIRI. Diese sind durch spiralförmige, mit gekühltem Helium gefüllte Rohre verbunden.
Der Verlängerungsprozess erfordert jedoch, dass das Heliumrohr mithilfe der ausziehbaren Turmbaugruppe verlängert wird. Dabei rollt sich das Rohr wie eine Feder auf, weshalb die Ingenieure von MIRI diesem Teil des Rohrs den Spitznamen „Slinky“ gaben.
„Die Arbeit an einem System, das mehrere Bereiche des Observatoriums umfasst, birgt einige Herausforderungen“, erklärte Analyn Schneider, Programmmanagerin für MIRI am JPL. „Diese verschiedenen Bereiche werden von unterschiedlichen Organisationen und Zentren geleitet, darunter Northrop Grumman und das Goddard Space Flight Center der NASA. Wir müssen uns mit allen abstimmen. Keine andere Hardware am Teleskop erfordert dies, daher ist es eine einzigartige Herausforderung für MIRI. Die Entwicklung der MIRI-Kryokühler war ein langer Weg, und wir freuen uns darauf, sie im Weltraum einzusetzen.“
Das James-Webb-Weltraumteleskop wird 2021 als weltweit führendes Weltraumobservatorium starten. Webb wird die Geheimnisse unseres Sonnensystems entschlüsseln, ferne Welten um andere Sterne erforschen und die geheimnisvollen Strukturen und Ursprünge unseres Universums und unseres Platzes im All untersuchen. Webb ist eine internationale Initiative unter der Leitung der NASA und ihrer Partner ESA (Europäische Weltraumorganisation) und der Kanadischen Weltraumorganisation.
MIRI wurde in einer gleichberechtigten Partnerschaft zwischen NASA und ESA (Europäische Weltraumorganisation) entwickelt. Das JPL leitet die US-amerikanischen Bemühungen für MIRI, während ein multinationales Konsortium europäischer astronomischer Institute zur ESA beiträgt. George Rieke von der Universität von Arizona leitet das US-amerikanische Wissenschaftsteam von MIRI. Gillian Wright ist Leiterin des europäischen Wissenschaftsteams von MIRI.
Alistair Glasse vom ATC (UK) ist Instrumentenwissenschaftler für MIRI, und Michael Ressler ist US-Projektwissenschaftler am JPL. Laszlo Tamas vom britischen ATC leitet die EU-Abteilung. Die Entwicklung des MIRI-Kryokühlers wurde vom JPL in Zusammenarbeit mit dem Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, und Northrop Grumman in Redondo Beach, Kalifornien, geleitet und gesteuert.