NASA vertraut für Tests am James Webb Space Telescope auf Sensorlösungen von Kistler


Für eines der ehrgeizigsten und komplexesten Weltraumforschungsprojekte in der Geschichte der Menschheit, das James Webb Space Telescope, verließ sich die NASA auf Kistler als Messtechnik-Lieferant für FLVT- (Force Limited Vibration Testing) und mechanische Tests. Dreiachsige Kraftaufnehmer und Tieftemperatur-Beschleunigungssensoren kamen bei den umfassenden Testverfahren für den Spiegel und das Modul für die wissenschaftlichen Instrumente zum Einsatz.

Als der italienische Astronom Galileo Galilei 1610 das allererste Teleskop auf den Mond richtete, sah er als erster Mensch dessen Berge und Krater. 400 Jahre später baut die NASA in Zusammenarbeit mit der Kanadischen und der Europäischen Raumfahrtagentur das größte und komplexeste Teleskop aller Zeiten: das James Webb Space Telescope (kurz JWST oder einfach „Webb“). Webbs Hauptspiegel ist etwa 6,7 Meter hoch und 6,1 Meter breit. Aufgrund dieser enormen Größe wurde Webb am 25. Dezember 2021 zusammengefaltet in eine Ariane-5-Rakete gepackt für den Start von Kourou in Französisch Guyana – es würde sich später im Weltraum entfalten. Der gesamte Prozess, um den Spiegel aufzubauen, auszurichten und zu kalibrieren nahm zusammen mit der Abkühlphase etwa sechs Monate in Anspruch! Zum Zeitpunkt dieses Berichts ist Webb in der fünften von sechs Setup-Phasen und wird wahrscheinlich voll in Betrieb sein, wenn Sie diesen Artikel lesen.

Zum Glück für Hunderte Wissenschaftler und Tausende am Projekt beteiligte Ingenieure lief bisher alles nach Plan. Am 24 Januar 2022 erreichte das James Webb Space Telescope seinen vorherbestimmten Orbit um die Sonne am zweiten (äußeren) Lagrange-Punkt (L2) – eine besondere Stelle im Sonnensystem, wo das Teleskop eine Position relativ zur Erde mit einem Minimum an Energie halten kann, und wo es vor zu viel Sonnenlicht versteckt ist: Es schaut beständig auf die Nachtseite der Erde und bewegt sich mit derselben Geschwindigkeit wie unsere Welt. Das JWST operiert vollständig im infraroten Spektrum und kann tiefer in die Vergangenheit des Universums blicken als jedes bisherige Teleskop. Seine herausragende Empfindlichkeit versetzt es in die Lage, Licht aus der Frühzeit des Universums zu empfangen, theoretisch bis zu 13,5 Milliarden Jahre zurück. Webb kann sich aber auch in unserer Nachbarschaft „umsehen”, um zum Beispiel die Planeten- und Exoplanetenforschung voranzutreiben. Wie also ist das James Webb Space Telescope entstanden, und was war erforderlich, um es an seinen Bestimmungsort zu bringen?

Das James Webb Space Telescope der NASA kann weiter in die Vergangenheit des Universums blicken als jemals zuvor.
Das James Webb Space Telescope mit seinem etwa sieben mal sechs Meter großen Spiegel kann weiter in die Vergangenheit des Universums blicken als jemals zuvor.

FLVT-Tests am Goddard Space Center mit Ausstattung von Kistler

Die Konstruktion des Spiegels begann 2004 und war 2011 abgeschlossen; die wissenschaftlichen Instrumente wurden zwischen 2013 und 2016 gebaut – vereinigt wurden beide Teile am Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. Das integrierte Modul heißt OTIS: Es umfasst das OTE (Optical Telescope Element) und das ISIM (Integrated Science Instrument Module) und ist das funktionale Herz des gesamten Observatoriums. Bevor OTIS mit einem Sonnenschild und dem Raumtransporter verbunden wurde, durchlief es das sogenannte Force Limited Vibration Testing zwischen November 2016 und Februar 2017.

„Für den FLVT verwendeten wir 28 Kraftaufnehmer von Kistler in drei verschiedenen Ausführungen. Sie wurden auf einer Halterung montiert und mit dem Rütteltisch verbunden.Obwohl es im Dezember eine Unregelmäßigkeit mit der ersten Achse gab, lief das ganze Verfahren sehr reibungslos. Es lag also nur an dem einzigartigen Prüfobjekt, dass das die längste Testphase meiner Karriere wurde.“

Brian Ross, Gruppenleiter für Strukturdynamik-Tests am Goddard und zu der Zeit leitender Ingenieur

Die OTIS-Struktur des James Webb Space Telescopes wurde auf Vibrationen getestet mit einem Closed-Loop-Control-System (CLC), das auf genauer Kraftmessung basiert. Die Messkette enthielt außerdem Ladungsverstärker wie den Mehrkanal-Laborverstärker 5080A von Kistler. Dank Signalsummierung und ausgefeilter Berechnung wurde ein CLC eingerichtet, um Overtesting und damit eine Gefährdung des wertvollen Prüflings OTIS zu vermeiden.

Kryogene Beschleunigungssensoren für höchste Präzision

Das James Webb Space Telescope ist ein Instrument, das höchste Genauigkeit verlangt: Die Ausrichtung der Elemente des Spiegels muss zum Beispiel absolut exakt sein. Dieses Niveau an Präzision wird durch 132 Aktuatoren erreicht, die auf Nanometer-Level positionieren können; außerdem müssen unerwünschte Vibrationen beachtet werden. Für die verschiedenen Schwingungstests (sine vibration, akustisch und Schocktest) kamen sechs verschiedene Arten von Beschleunigungssensoren von Kistler zum Einsatz; darunter die Reihe 8793A500, die nun im Weltraum Teil des Webb-Teleskops ist. 

„Diese dreiachsigen Beschleunigungssensoren verfügen über einen Messbereich von bis zu 500 g. Sie wurden ausgewählt aufgrund ihrer Fähigkeit, bei äußerst niedrigen Temperaturen bis hinunter auf 25 Kelvin zu messen“, sagt Sandra Irish, Lead Structures Engineer für das James Webb Space Telescope am Goddard. „Sie haben für Test-n-Fly sehr gut funktioniert, und wir sind ebenfalls sehr zufrieden mit all den anderen Beschleunigungssensoren, die wir nach den Tests wieder ausgebaut haben. Viele dieser Produkte wurden exklusiv und speziell für das JWST-Programm beschafft und eingesetzt.“

Nach den erfolgreichen Tests am Goddard wurde OTIS zum Johnson Space Center in Houston gebracht, wo im Laufe des Jahres 2017 die optischen Tests in einer gigantischen Thermo-Vakuumkammer stattfanden. 2019 wurde OTIS mit dem Sonnenschild und dem Raumtransporter verbunden. Das fertiggestellte James Webb Space Telescope  durchlief anschließend die letzte Test- und Vorbereitungsphase, bevor es Ende 2021 erfolgreich starten konnte. Jetzt erwarten Wissenschaft und Öffentlichkeit gespannt Webbs Einblicke in unser Universum – vor allem in dessen Vergangenheit, die bisher in Dunkelheit gehüllt blieb. Nach nur wenigen Monaten werden der globalen wissenschaftlichen Gemeinschaft erste Bilder, Resultate und Daten zur Verfügung stehen.

Weiteres L2-Infrarotteleskop bereits in den Startlöchern

In der Zwischenzeit macht sich ein weiteres großes Teleskop bereit für den Start: Das Nancy Grace Roman Space Telescope (kurz „Roman“, zuvor bekannt als Wide Field Infrared Survey Telescope) wurde benannt nach einer berühmten Chefastronomin der NASA im 20. Jahrhundert. Genau wie Webb ist Roman ein Infrarot-Teleskop; es hat einen kleineren Spiegel als Webb, besitzt jedoch einen sehr weiten Ausblick, der sich besonders auf dunkle Materie und Exoplanetenforschung konzentriert. Sein Weltraumflug ist geplant für 2026 – zum selben Bestimmungsort L2 wie Webb. Der Großteil der Entwicklungs-, Konstruktions- und Testphasen wird am Goddard Space Center stattfinden, wo alle Hauptkomponenten gebaut und geprüft werden: diesmal nicht nur das Teleskop, sondern auch die Schutzausrüstung und der Weltraumtransporter. Noch einmal Brian Ross: „Die Verfahren sind bereits geplant für in zwei Jahren ab jetzt – in der Zwischenzeit müssen wir unsere Einrichtungen aufrüsten, um in der Lage zu sein, den gesamten Aufbau des Observatoriums zu testen. Wir werden also drei FLVT-Tests durchführen, einen für jeden Teil von Roman, und wir werden uns sicher auf Technologie von Kistler verlassen, um unseren Erfolg mit Webb zu wiederholen.“