Ingenieure führen nach dem Abflug aus Großbritannien eine „Abnahme“ des Mittelinfrarotinstruments des James-Webb-Weltraumteleskops im Goddard Space Flight Center der NASA durch.
Die JPL-Flugtechniker Johnny Melendez (rechts) und Joe Mora überprüfen den MIRI-Kryokühler, bevor sie ihn an Northrop Grumman in Redondo Beach, Kalifornien, versenden. Dort wird der Kühler am Gehäuse des Webb-Teleskops befestigt.
Dieser Teil des MIRI-Instruments, zu sehen im Appleton Laboratory in Rutherford, Großbritannien, enthält Infrarotdetektoren. Der Kryokühler ist vom Detektor entfernt angebracht, da er bei einer höheren Temperatur arbeitet. Ein Rohr mit kaltem Helium verbindet die beiden Abschnitte.
MIRI (links) steht auf einem Schwebebalken bei Northrop Grumman in Redondo Beach, während Ingenieure sich darauf vorbereiten, es mithilfe eines Brückenkrans am Integrated Scientific Instrument Module (ISIM) zu befestigen. 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 hat eine ebenso gewaltige Aufgabe: Es soll Infrarotlicht aus den entlegensten Winkeln des Universums sammeln und es den Wissenschaftlern ermöglichen, die Struktur und den Ursprung des Universums zu erforschen – unseres Universums und unseres Platzes darin.
Viele kosmische Objekte – darunter Sterne und Planeten sowie das Gas und der Staub, aus denen sie entstehen – senden Infrarotlicht aus, das manchmal als Wärmestrahlung bezeichnet wird. Dies gilt jedoch auch für die meisten anderen warmen Objekte wie Toaster, Menschen und elektronische Geräte. Das bedeutet, dass die vier Infrarotinstrumente des Webb-Teleskops ihr eigenes Infrarotlicht erfassen können. Um diese Emissionen zu reduzieren, muss das Instrument sehr kalt sein – etwa 40 Kelvin oder minus 388 Grad Fahrenheit (minus 233 Grad Celsius). Um jedoch ordnungsgemäß zu funktionieren, müssen die Detektoren im Mittelinfrarotinstrument (MIRI) kälter werden: unter 7 Kelvin (minus 448 Grad Fahrenheit oder minus 266 Grad Celsius).
Das sind nur wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt (0 Kelvin) – der kältesten Temperatur, die theoretisch möglich ist, obwohl sie physikalisch nie erreicht werden kann, da sie die völlige Abwesenheit jeglicher Wärme darstellt. (MIRI ist jedoch nicht das kälteste im Weltraum betriebene Bildgebungsinstrument.)
Die Temperatur ist im Wesentlichen ein Maß dafür, wie schnell sich Atome bewegen. Webb-Detektoren können nicht nur ihr eigenes Infrarotlicht erfassen, sondern auch durch ihre eigenen thermischen Schwingungen ausgelöst werden. MIRI erfasst Licht in einem niedrigeren Energiebereich als die anderen drei Instrumente. Daher reagieren seine Detektoren empfindlicher auf thermische Schwingungen. Diese unerwünschten Signale werden von Astronomen als „Rauschen“ bezeichnet und können die schwachen Signale überdecken, die Webb zu erfassen versucht.
Nach dem Start wird Webb ein Visier in der Größe eines Tennisplatzes entfalten, das MIRI und andere Instrumente vor der Hitze der Sonne schützt und ihnen so eine passive Kühlung ermöglicht. Etwa 77 Tage nach dem Start wird der Kryokühler von MIRI 19 Tage benötigen, um die Temperatur der Detektoren des Instruments auf unter 7 Kelvin zu senken.
„Auf der Erde ist es relativ einfach, Dinge auf diese Temperatur herunterzukühlen, oft für wissenschaftliche oder industrielle Anwendungen“, sagte Konstantin Penanen, Experte für Kryokühler am Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien, das das MIRI-Instrument für die NASA betreibt. „Aber diese erdgebundenen Systeme sind sehr sperrig und energieineffizient. Für ein Weltraumobservatorium benötigen wir einen Kühler, der kompakt, energieeffizient und hochzuverlässig ist, da wir ihn nicht vor Ort reparieren können. Das sind also die Herausforderungen, vor denen wir stehen. In dieser Hinsicht würde ich sagen, dass MIRI-Kryokühler definitiv zu den Spitzenreitern gehören.“
Eines von Webbs wissenschaftlichen Zielen besteht darin, die Eigenschaften der ersten Sterne zu untersuchen, die im Universum entstanden sind. Webbs Nahinfrarotkamera bzw. das NIRCam-Instrument wird in der Lage sein, diese extrem weit entfernten Objekte zu erkennen, und MIRI wird den Wissenschaftlern dabei 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 im Verlauf der Galaxienentwicklung gebildet haben.
Durch die Untersuchung von Staubwolken, die dichter sind als Nahinfrarotinstrumente, wird MIRI die Geburtsorte von Sternen enthüllen. Es wird auch Moleküle erkennen, die häufig auf der Erde vorkommen – wie Wasser, Kohlendioxid und Methan sowie Moleküle von Gesteinsmineralien wie Silikate – in den kühlen Umgebungen um nahe Sterne, wo Planeten entstehen können. Nahinfrarotinstrumente können diese Moleküle in heißeren Umgebungen besser als Dämpfe erkennen, während MIRI sie als Eis erkennen kann.
„Durch die Kombination der Expertise aus den USA und Europa haben wir MIRI als die Power von Webb entwickelt, die es Astronomen aus aller Welt ermöglichen wird, große Fragen zur Entstehung und Entwicklung von Sternen, Planeten und Galaxien zu beantworten“, sagte Gillian Wright, Co-Leiterin des MIRI-Wissenschaftsteams und europäische Hauptforscherin für das Instrument am britischen Astronomical Technology Centre (UK ATC).
Der MIRI-Kryokühler verwendet Heliumgas – genug, um etwa neun Partyballons zu füllen – um Wärme von den Detektoren des Instruments abzuleiten. 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 aus dem Block und hält so die Betriebstemperatur des Detektors unter 7 Kelvin. Das erhitzte (aber immer noch kalte) Gas kehrt dann zum Kompressor zurück, wo es die überschüssige Wärme abgibt, und der Zyklus beginnt von neuem. Im Grunde ähnelt das System dem in Haushaltskühlschränken und Klimaanlagen verwendeten.
Die Helium führenden Rohre bestehen aus vergoldetem Edelstahl und haben einen Durchmesser von weniger als 2,5 mm. Sie erstrecken sich etwa 10 Meter vom Kompressor im Raumfahrzeugbusbereich bis zum MIRI-Detektor im optischen Teleskopelement hinter dem wabenförmigen Hauptspiegel des Observatoriums. Eine als entfaltbare Turmbaugruppe (DTA) bezeichnete Hardware verbindet die beiden Bereiche. Beim Packen für den Start wird die DTA ähnlich wie ein Kolben zusammengedrückt, um das verstaute Observatorium in der Schutzvorrichtung auf der Raketenspitze zu installieren. Im Weltraum angekommen, wird der Turm ausgefahren, um den Raumfahrzeugbus, der Raumtemperatur hat, von den kühleren optischen Teleskopinstrumenten zu trennen und die vollständige Entfaltung von Sonnenschutz und Teleskop zu ermöglichen.
Diese Animation zeigt die ideale Ausführung der Entfaltung des James-Webb-Weltraumteleskops Stunden und Tage nach dem Start. Durch die Erweiterung der zentralen, entfaltbaren Turmbaugruppe wird der Abstand zwischen den beiden Teilen des MIRI vergrößert. Sie sind durch Spiralröhren mit gekühltem Helium verbunden.
Der Verlängerungsprozess erfordert jedoch, dass die Heliumröhre mithilfe der ausfahrbaren Turmbaugruppe verlängert wird. Daher spannt sich die Röhre wie eine Feder auf, weshalb die MIRI-Ingenieure diesem Teil der Röhre den Spitznamen „Slinky“ gaben.
„Die Arbeit an einem System, das mehrere Bereiche des Observatoriums umfasst, birgt einige Herausforderungen“, sagte Analyn Schneider, Programmmanagerin von JPL MIRI. „Diese verschiedenen Bereiche werden von verschiedenen Organisationen oder Zentren geleitet, darunter Northrop Grumman und das Goddard Space Flight Center der US-amerikanischen NASA. Wir müssen mit allen zusammenarbeiten. Es gibt keine andere Hardware am Teleskop, die dies leisten muss, daher ist dies eine einzigartige Herausforderung für MIRI. Es war definitiv ein langer Weg bis zu den Kryokühlern von MIRI, und wir sind bereit, sie im Weltraum zu sehen.“
Das James-Webb-Weltraumteleskop wird 2021 als weltweit führendes Observatorium für die Weltraumforschung starten. Webb wird die Geheimnisse unseres Sonnensystems entschlüsseln, ferne Welten um andere Sterne erkunden und die mysteriösen Strukturen und Ursprünge unseres Universums und unseres Ortes erforschen. Webb ist eine internationale Initiative unter der Leitung der NASA und ihrer Partner ESA (Europäische Weltraumorganisation) und der Canadian Space Agency.
MIRI wurde im Rahmen einer 50:50-Partnerschaft zwischen der NASA und der ESA (Europäische Weltraumorganisation) entwickelt. Das Jet Propulsion Laboratory (JPL) leitet das US-amerikanische MIRI-Projekt und ein multinationales Konsortium europäischer astronomischer Institute trägt zur ESA bei. George Rieke von der University of Arizona ist der Leiter des US-amerikanischen MIRI-Wissenschaftsteams. Gillian Wright ist die Leiterin des europäischen MIRI-Wissenschaftsteams.
Alistair Glasse vom britischen ATC ist Instrumentenwissenschaftler für MIRI und Michael Ressler ist US-Projektwissenschaftler am JPL. Laszlo Tamas vom britischen ATC ist für die Europäische Union zuständig. 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 verwaltet.