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Von der Idee zur Mission


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Sterne und Weltraum - epaper ⋅ Ausgabe 2/2022 vom 14.01.2022

WELTRAUMTELESKOPE

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Bildquelle: Sterne und Weltraum, Ausgabe 2/2022

Das größte Weltraumteleskop Endlich ist es so weit: Wenn der Start geglückt ist, befindet sich das James Webb Space Telescope (JWST) mit seinem riesigen 6,5-Meter-Spiegel inzwischen im All ? hier als Computergrafik.

NASA’s James Webb Space Telescope / NASA GSFC / CIL / Adriana Manrique Gutierrez (https://www.flickr.com/photos/nasawebbtelescope/51412207042/in/album-72157624413830771/) / CC BY 2.0 (creativecommons.org/licenses/by/2.0/legalcode)

Wenn dieser Beitrag erscheint, sollte sich das James Webb Space Telescope (JWST) bereits auf seiner langen Reise zum Beobachtungsstandort um den Lagrange-Punkt L2 des Erde-Sonne-Systems befinden. Da der Redaktionsschluss des vorliegenden Heftes Mitte Dezember war, konnte der für den 24. Dezember 2021 festgesetzte Startzeitpunkt nicht mehr bestätigt werden. Die tagesaktuellen Medien und www.spektrum.de werden jedoch über den Beginn dieser historischen Mission ausführlich berichtet haben. Da wir auf die ersten Beobachtungsergebnisse bis zu einem halben Jahr nach dem Start warten müssen, nutzen wir diese Pause jetzt für einen Rückblick auf die lange und ...

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... spannende Entwicklungsgeschichte dieses Vorhabens (siehe SuW 9/2014, S. 30, und SuW 10/2014, S. 44). Sie war geprägt von wissenschaftlicher Neugier, großen Visionen und unerschütterlichem Optimismus, aber auch von mehreren Krisen und Rückschlägen, überwunden durch innovative und aufopferungsvolle Arbeit tausender Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in den USA, in Europa und Kanada.

Ursprünglicher Name: Next Generation Space Telescope

Auch die längste Reise beginnt mit einem ersten Schritt. Beim JWST liegt dieser Beginn mehr als dreißig Jahre zurück. Riccardo Giacconi, Gründungsdirektor des im Jahr 1981 entstandenen Space Telescope Science Institutes (STScI) in Baltimore, beauftragte 1986 einige seiner Kollegen über eine nächste große Mission nach dem Hubble Space Telescope (HST) nachzudenken. Das schien den Angesprochenen sehr verfrüht, denn sie waren in der angestrengenden Entwicklungs- und Testphase von Hubble, das in einigen Jahren starten sollte. Aber Giacconis Aufforderung hatte Gewicht, galt er doch als der Wegbereiter der erst durch Weltraumteleskope ermöglichten Röntgenastronomie, wofür er später mit dem Nobelpreis geehrt wurde (siehe SuW 2/2019, S. 17). Er vermutete nach der langwierigen Entwicklung von Hubble , dass eine noch größere Folgemission eine sehr viel längere Entwicklungszeit erfordern würde, die über die angestrebte 15-jährige Lebenszeit von Hubble hinausreichen könnte.

IN KÜRZE

■ Der geplante Starttermin für das James Webb Space Telescope ist der 24. Dezember 2021.

■ Das Infrarotweltraumteleskop tritt die Nachfolge des legendären Vorgängers Hubble an.

■ Hier erfahren Sie seine spannende, drei Jahrzehnte währende Entwicklungsgeschichte.

Im Ergebnis der ersten Studien für den Nachfolger (HST and Beyond) wurde ein wesentlich größeres Weltraumteleskop vorgeschlagen, das, passiv gekühlt, den Bereich vom Ultravioletten über das Optische bis zum nahen Infraroten abdecken sollte. Wichtigstes Ziel war die Untersuchung von Galaxien bei hohen kosmologischen Rotverschiebungen z im frühen Universum. Mit bodengebundenen Teleskopen war man damals noch nicht weit über z = 1 hinausgekommen. In weiteren Studien erhielt dieses Next Generation Space Telescope (NGST) einen 10-Meter-Spiegel, später einen 6-Meter-Spiegel und zeitweise einen 16-Meter-Spiegel für eine Mondbasis, nachdem US-Präsident George H. W. Bush eine Mondinitiative gestartet hatte.

Vorgänger Hubble – bremst und fördert

Nach dem Start von Hubble im Jahr 1990 verlagerte sich die Aufmerksamkeit der NASA ganz auf die Behebung der erschreckenden Bildfehler des Teleskops mit einer Servicemission (siehe SuW 5/2020, S. 26). Die Aktivitäten am Nachfolger NGST blieben deshalb für einige Jahre gedämpft. Mit dem instandgesetzten Hubble wurden mit tiefen Durchmusterungen unerwartet die großartigen Möglichkeiten zur Erforschung des jungen Universums mit einem Weltraumteleskop aufgezeigt, aber auch ihre Begrenzung durch einen optischen 2,4-Meter-Spiegel: Die jüngsten Galaxien waren offenbar erst bei deutlich höheren Rotverschiebungen (z > 6) zu suchen (siehe »Tiefer Blick ins frühe Universum«). Mit dem NGST sollte deshalb unbedingt das mittlere Infrarot zugänglich werden. Seither wurde für das NGST das Konzept eines 8-Meter- Teleskops im Weltraum verfolgt, aber nur noch für den optischen und den Infrarotbereich (IR). Die für das mittlere IR notwendigerweise tiefzukühlenden Spiegel hätten als Kältefallen im langfristig ausgasenden Observatorium Beobachtungen im Ultravioletten behindert.

Im Auftrag der NASA entwickelten im Jahr 1996 die Raumfahrtfirmen Lockheed und TRW und das Goddard Space Flight Center (SFC) unabhängig voneinander erste Konzepte für ein NGST (siehe »Drei Teleskopentwürfe«). Alle drei Studiengruppen kamen zu dem Ergebnis, dass das anspruchsvolle NGST machbar ist, kann es sich doch auf bereits entwickelte Technologien für große, leichte Spiegel und die neuen Infrarotkameras stützen. Das Nachfolgeteleskop sollte deutlich leichter und mit rund zwei Milliarden US-Dollar Gesamtkosten auch deutlich billiger als Hubble werden.

Diese Vorschläge wurden zur Grundlage für das NGST Study Team der NASA und der amerikanischen Universitäten; ihr Bericht trägt den eingängigen Titel »Next Generation Space Telescope – Visiting a Time When Galaxies Were Young« (siehe »Ein Standardwerk«). Der im Jahr 1997 veröffentlichte Bericht wurde zum Leitfaden der NASA für alle weiteren Entwicklungen – so auch für eine Einladung an die Europäische Weltraumbehörde ESA, die schon lange bestehende enge Zusammenarbeit bei Hubble auf das geplante NGST auszuweiten. Die ESA folgte diesem Angebot mit dem Ziel einer wiederum 15-Prozent-Beteiligung für Entwicklung, Betrieb und wissenschaftlicher Instrumentierung. Als Startdatum für das neue Weltraumteleskop wurde damals das Jahr 2007 angestrebt.

Ab dem Jahr 1999 führten Lockheed und TRW im Auftrag der NASA Phase-A- Studien für das NGST durch, in denen die ursprünglichen Konzepte der Firmen vertieft analysiert und erste Kostenschätzungen möglich wurden. Bald zeigte sich, dass die Entwicklung des Observatoriums deutlich teurer werden und länger dauern könnte. Ab dem Jahr 2001 wurde deshalb mit einem etwas kleineren Spiegel (6,5 Meter) weitergearbeitet; auch das seinerzeit angestrebte Startjahr 2008 schien nicht mehr realisierbar. Inzwischen waren die ESA und die Kanadische Weltraumagentur CSA zu Vorschlägen für die wissenschaftlichen Instrumente des NGST eingeladen worden.

Europäische Studiengruppen empfahlen daraufhin unter anderem einen Multi- Objekt- und Integralfeldspektrografen für das Nahinfrarot (Wellenlänge l < 5 Mikrometer) zu entwickeln. Dieser Vorschlag setzte sich als NIRSpec in den vielstufigen Auswahlverfahren der folgen den Jahre stets durch. Im Jahr 2001 bat die ESA europäische Wissenschaftler, ein »Mid-IR Instrument foreseen for the Next Generation Space Telescope (NGST) Project« zu entwickeln. Dieses Instrument sollte neben einer Kamera für Wellenlängen bis zu 28 Mikrometer auch leistungsfähige Spektrometer besitzen, denn die hochrotverschobenen Galaxien können vom Boden aus nicht weiter studiert werden. Hier setzte sich der Vorschlag eines aus 20 europäischen Instituten bestehenden Konsortiums für das Instrument MIRI durch, das die komplexen Optiken liefern sollte.

James who?

Das Jahr 2002 wurde zu einem wichtigen Meilenstein der Entwicklung. Die NASA wählte TRW für die Weiterentwicklung des NGST in einer Phase-B-Studie aus, in der eine detailliertere Auslegung des Observatoriums erarbeitet wurde, die genauere Kostenabschätzungen ermöglichte. Im Sommer desselben Jahres verkündete die NASA überraschend einen neuen Namen für das NGST: Es sollte fortan James Webb Space Telescope (JWST) heißen. Geehrt wurde damit ein ehemaliger NASA-Chef, der sich mit der Vorbereitung der erfolgreichen Mondmissionen in den 1960er Jahren bleibende Verdienste erworben hatte (siehe »Der Mann hinter dem Teleskop«). Der 1992 verstorbene Webb war allerdings, insbesondere bei den europäischen Partnern, kaum noch bekannt.

Und ebenfalls im Jahr 2002 wurde die favorisierte Raumfahrtsparte von TRW überraschend von der Firma Northrop Grumman gekauft, die ab nun als Northrop Grumman Space Technology zum industriellen Hauptauftragnehmer des JWST wurde. Für die Leitung des Vorhabens wurde das Goddard Space Flight Center der NASA gewählt. Projektwissenschaftler für das JWST wurde John Mather, der für die bahnbrechenden Beobachtungen des Mikrowellenhintergrunds mittels des Satelliten Cosmic Background Explorer (COBE) in den 1990er Jahren mit dem Physik-Nobelpreis 2006 geehrt wurde.

Die Entwicklungsarbeit konzentrierte sich zunächst auf die anspruchsvollsten Komponenten mit der vermutlich längsten Entwicklungszeit: das leichtgewichtige, große Spiegelteleskop und die wissenschaftlichen Instrumente. Die Gewichts- und Raumbegrenzungen für den Raketenstart führten zum Konzept eines segmentierten Hauptspiegels, der im Weltraum auf einen Durchmesser von 6,5 Metern entfaltet werden kann. Die Spiegelsegmente sollten aus Beryllium gefertigt werden, einem leichten, steifen Metall, mit dem die Firma Ball Aerospace/ Colorado bereits bei den Infrarotsatelliten IRAS und Spitzer gute Erfahrungen gesammelt hatte.

Parallel dazu begann die Entwicklung der wissenschaftlichen Instrumente für die Fokalebene des Teleskops, die in »Sterne und Weltraum« vorgestellt wurden (siehe SuW 9/2014, S. 30). Für die wichtige Kamera im Nahinfrarot (l < 5 Mikrometer) wurde ein Vorschlag der University of Arizona ausgewählt. Dieses Instrument sollte auch zur Positionierung des JWST am Himmel dienen und wurde deshalb redundant ausgelegt. Der Bau des Flugmodells von NIRCam erfolgte bei Lockheed. Das Instrument NIRSpec wurde unter Führung von der ESA bei Astrium (heute Airbus) in Deutschland gebaut (siehe »Instrument aus Europa«). In das Instrument MIRI flossen die Beiträge zahlreicher Institute und Firmen, mit speziellen Erfahrungen, aber beschränkten Budgets ein, was einen beträchtlichen Koordinierungsaufwand erforderte. Der komplexe optische Teil des Instruments wurde in Europa entwickelt, die Infrarotkameras und deren Kühlung in den USA. Das Max-Planck-Institut für Astro nomie leistete mit der Entwicklung der optischen Wechselräder einen entscheidenden Beitrag zum Instrument MIRI. Hier waren mit vergleichbaren Filterrädern für den heliumgekühlten Satelliten ISO der ESA gute Erfahrungen gewonnen worden. Erste Gespräche zur Förderung dieser Arbeiten fanden bereits im Jahr 1998 beim Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) statt. Die detaillierten Baupläne aller JWST-Fokalebeneninstrumente durchliefen ab dem Jahr 2006 erfolgreich die strengen Design Reviews bei NASA und ESA.

Krise und Umplanung

In diesen frühen Jahren der Entwicklung hatte es einige Aufregung gegeben. Mehrere Vorhaben der NASA ließen beträchtliche Kostenüberschreitungen erwarten – so auch das JWST, dessen hochgerechnete Kosten von 2 auf 3,5 Milliarden US-Dollar gestiegen waren. Inzwischen gewannen neue Ziele politisch an Bedeutung, vor al- lem die Internationale Raumstation ISS und die Wiederaufnahme von Flügen mit dem Spaceshuttle. Auch das JWST-Projekt sollte einen Sparbeitrag leisten: eine Verkleinerung des Teleskops auf vier Meter. Erfreulicherweise konnten sich Gutachter und Unterstützer schließlich mit der Beibehaltung des 6,5-Meter-Spiegels durchsetzen, ohne den die wichtigen Ziele im jungen Universum unerreichbar gewesen wären. Einige Abstriche wurden dennoch gemacht: Die Genauigkeitsanforderungen für die Herstellung des Spiegels mussten verringert werden; die volle optische Leistung konnte nun erst ab einer Wellenlänge von 1,7 Mikrometern im Nahinfrarot erbracht werden. Und geringere Reinheitsanforderungen sollten die Testaufbauten vereinfachen; ein dadurch möglicherweise leicht erhöhtes Streulicht war jedenfalls für das mittlere Infrarot zu verkraften. Das anspruchsvolle Kühlsystem für das Instrument MIRI mit mechanischen Aggregaten wurde im Jahr 2003 aus Sorge vor steigenden Entwicklungskosten aufgegeben und durch einen einfacheren großen Kryostaten für festen Wasserstoff ersetzt. Dieser gefährdete allerdings im Lauf der weiteren Entwicklung zunehmend die Massebilanz des JWST. Ab dem Jahr 2005 kehrte man deshalb zu thermomechanischen Kühlmaschinen zurück. Das Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA und die Raumfahrtindustrie verfolgten und finanzierten auch aus anderen Gründen seit Längerem eine vielversprechende Entwicklung von langlebigen Kryokühlern (siehe »Eiskalter Helfer«).

Durch die Begrenzung der jährlichen Mittelbereitstellung für das JWST musste das Startdatum auf den Sommer 2013 verschoben werden. Eine gute Nachricht gab es im Jahr 2005 dennoch: NASA und ESA vereinbarten, für die US-amerikanische Seite kostensparend, das Weltraumteleskop mit einer Ariane-5-Rakete zum Lagrange-Punkt L2 zu befördern. Damit würde der Anteil Europas am Vorhaben JWST rund 700 Millionen Euro betragen, für Startkampagne, Instrumente und die zehnjährige Mitwirkung am Bodenobservatorium.

Segmentierter Spiegel – eine Erfolgsgeschichte

In den folgenden Jahren verlief die Entwicklung des JWST sehr positiv, aber etwas langsamer als erhofft. Die umfang reichen Testprogramme für das Überleben des rauen Raketenstarts und den langjährigen Betrieb im kalten Vakuum ohne Reparaturmöglichkeiten wie beim Hubble erforderten sehr viel Zeit.

Die Firma Ball Aerospace in Colorado, verantwortlich für die JWST-Optik, erhielt im Jahr 2006 ein erstes Berylliumspiegelsegment mit einem Durchmesser von 1,3 Metern (siehe »Superleichte Hexagone aus Beryllium«). Es wog nur 20 Kilogramm; damit würde das aus 18 Segmenten zusammengesetzte 6,5-Meter-Teleskop nur halb so viel wiegen wie der deutlich kleinere 2,4-Meter-Spiegel des Weltraumteleskops Hubble. Gleichzeitig begann die Entwicklung der Wellenfrontsensoren und des rechnergesteuerten Kontrollsystems für die 18 Segmente zur präzisen Fokussierung. Im Jahr 2008 bestanden die ersten Berylliumspiegel die Kalttests in der Kryovakuumkammer bei Goddard. Insgesamt wurde der Bau des Spiegelteleskops ein aufwändiger Prozess: Die einzelnen Bearbeitungsschritte erfolgten bei über das ganze Land verteilten Spezialisten und betrafen unter anderem Berylliumgewinnung, Formgebung und optische Politur des hochgiftigen Materials, Kalttests, Vergoldung und Integration (siehe »Quer durch die USA«).

Im Jahr 2008 wurde der Sonnenschirm als Testmodell vorgestellt. Er besteht aus fünf Schichten metallbedampfter Kaptonfolien, die in präzisen Abständen voneinander aufgespannt werden müssen. Die weitere Entwicklung bei Northrop Grumman gestaltete sich schwierig, da der Schirm für den Raketenstart zusammengefaltet werden und sich im Weltraum durch eine Vielzahl von Mechanismen auf seine gewaltige Größe wieder entfalten muss. In Tests musste deshalb auch gezeigt werden, dass beim schnellen Entweichen der Luft aus der Nutzlastspitze – in nur etwa 90 Sekunden – unmittelbar nach dem Raketenstart die riesigen Folienbahnen und ihre Befestigungen unbeschädigt blieben.

Die etwas vereinfachten Ingenieursmodelle aller wissenschaftlichen Instrumente für erste Tests mit dem Teleskop wurden im Jahr 2010 pünktlich an die NASA geliefert. Die Flugmodelle von MIRI und NIRSpec durchliefen zu dieser Zeit in Europa fristgerecht abschließende Testserien. Und die ersten Spiegelsegmente wurden nach fast siebenjähriger Entwicklungszeit vergoldet angeliefert: ein wunderbarer Anblick!

Abbruch des Projekts?

Bei allem Fortschritt führten die zahlreichen anspruchsvollen Neuentwicklungen und die notwendigen zeitaufwändigen Testkampagnen in diesen Jahren zu erneuten Verzögerungen und erheblichen Mehrkosten. Daraus wurde im Jahr 2011 eine bedrohliche Krise: Im zuständigen Ausschuss des US-Repräsentantenhauses wurde ernsthaft der Abbruch des inzwischen sehr teuren und verzögerten JWST- Projekts erwogen! Bis zu diesem Zeitpunkt waren bereits über drei Milliarden US-Dollar ausgegeben – deutlich mehr als die ursprünglich vorgesehenen Gesamtkosten von knapp zwei Milliarden. Und die mehrjährigen Verzögerungen ließen weitere Kostensteigerungen erwarten.

Kritik äußerten nun auch einige Astronomen, die das Vorhaben anfangs begeistert unterstützt hatten: Der hohe und lang anhaltende Mittelbedarf des JWST verringere die Chancen für zukünftige Weltraumprojekte, wie den Terrestrial Planet Finder (TPF) oder das Gravitationswellen- Laserinterferometer LISA. Unterstützt durch einen weltweiten Protest gegen das drohende Ende (»Web rettet Webb«) und einen Appell der American Astronomical Society (AAS), setzte sich schließlich die Einsicht durch, dass der Abbruch dieses internationalen Projekts der Glaubwürdigkeit der NASA schweren Schaden zufügen würde. Also wurde gehandelt: Gründlichen Fehleranalysen folgten ein verbessertes Projektmanagement und darüber hinaus eine wirklichkeitsnähere Planung für den Zeit- und Mittelbedarf. Die Gesamtkosten wurden nun auf 8,8 Milliarden US-Dollar für Entwicklung und eine fünfjährige Mission berechnet. Als Startdatum galt ab jetzt das Jahr 2018.

Die glücklicherweise nicht unterbrochene Fortführung des Projekts wurde durch beachtliche Erfolge in den nächsten Jahren gerechtfertigt. Die Entwicklung der Infrarotkameras für das Nahinfrarot (NIRCam, NIRSpec) gelang hervorragend. Diese großen, empfindlichen Detektor- Arrays bedeuteten über den Einsatz beim JWST hinaus auch für die bodengebundene Infrarotastronomie und die Erderkundung einen wichtigen Fortschritt. Die für das segmentierte Teleskop notwendigen neuen Wellenfrontmessungen mit scannendem Shack-Hartmann-Sensor sollten Eingang in die Augenoptik finden. Ab dem Jahr 2012 wurden die vier vollendeten wissenschaftlichen Instrumente zu Goddard geliefert. Sie wurden in einen Kohlenstofffaserkäfig integriert, der seinen Platz in der Fokalebene hinter dem Hauptspiegel hat. Anschließend durchlief dieses Instrumentenmodul mit Erfolg ein gründliches, viele Monate erforderndes Kryovakuum- und Vibrationstestprogramm. Und schließlich war im Jahr 2013 auch das letzte der 18 Spiegelsegmente bei Goddard angekommen.

Check im Weltraumsimulator

Auf einen Test des gesamten Teleskops einschließlich der wissenschaftlichen Instrumentierung unter simulierten Weltraumbedingungen sollte bei dem JWST nicht verzichtet werden. Hubble hatte da eine schmerzhafte Lektion gelehrt! Es gab aber keine Kryovakuumtestkammer, die genug Platz für das riesige Teleskop mit dem tennisplatzgroßen Sonnenschild hatte. Der ideale »Test as you fly« war deshalb nicht möglich. Aber es gab eine Testkammer, die groß genug für das Teleskop – das Herzstück des neuen Observatoriums – war: die Chamber A beim Johnson Space Flight Center in Houston, Texas. Der gewaltige Teststand war in den 1960er Jahren für die Erprobung der Mondlandefähren im Apollo-Programm errichtet worden (siehe »Riesiges Vakuum«). Für das JWST musste die Kammer innen mit großen Kühlschilden für flüssigen Stickstoff und noch kälteres Heliumgas nachgerüstet werden. Zunächst wurde in der Kammer ein vereinfachtes Vorläuferteleskop betrieben, um sicherzustellen, dass die Testeinrichtungen für das echte JWST problemlos arbeiten. Ab dem Sommer 2017 begannen diese aufwändigen Tests schließlich, eingeleitet durch ein zehntägiges Vakuumpumpen und 30 Tage Abkühlzeit. Allein um die Stickstoffschilde konstant bei einer Temperatur von 80 Kelvin zu halten, wurden täglich 90 000 Liter flüssiger Stickstoff benötigt. Während der folgenden dreimonatigen Überprüfung unter den simulierten Weltraumbedingungen konnte insbesondere gezeigt werden, dass sich der segmentierte Spiegel telemetriegesteuert exakt justieren ließ und Abbildungen wie ein monolithischer 6,5-Meter-Spiegel liefert. Diese Testserie blieb auch in aufregender Erinnerung, weil zeitgleich der Hurrikan Harvey tagelang in Texas wütete. Nach erfolgreichem Abschluss der Kampagne wurde das Teleskop nach Kalifornien zu Northrop Grumman transportiert. Dort sollte der Zusammenbau mit dem Sonnenschild und dem Satellitenmodul erfolgen. Die Zeit für die abschließenden Tests des vollendeten Observatoriums wurde nun knapp: Bis zum seinerzeit offiziellen Startdatum Oktober 2018 blieb jetzt nur noch ein Jahr.

Schwieriger Sonnenschild

Unerwartet viele Probleme ergaben sich beim Test des riesigen Sonnenschilds (22 3 12 Meter). Die einwandfreie Funktion des Schilds ist für eine erfolgreiche Mission ganz unerlässlich. Die fünf metallbedampften Kaptonfolien sollen die auf das Teleskop einfallende Sonnenenergie aus dem Kilowattbereich auf wenige Milliwatt reduzieren (siehe »Gigantischer Sonnenschirm«). Im Schatten des Schilds kühlt sich das Teleskop durch Abstrahlung in den dunklen Weltraum passiv auf –230 Grad Celsius ab; damit werden die Infrarotkameras nicht länger mit exzessiver Wärmestrahlung geflutet. Die Entfaltung des beim Start in der Raketenspitze eng zusammengefalteten Schirms erfolgt durch eine Vielzahl von Mechanismen. Sie müssen alle funktionieren, um die fünf Schichten des Schirms straff gespannt und im genauen Abstand voneinander zu platzieren. Bei den Entfaltungstests gab es vereinzelt Einrisse in den Folien. Beim der Öffentlichkeit. Dazu gehörten der Einsatz von mehr Personal in der Industrie, die Rückkehr zu einer Fünf-Tage-Arbeitswoche und die moralische Aufrüstung der Technikleute und ihrer Familien durch Vorträge der führenden Forschenden über die mit JWST zu erwartenden faszinierenden Einblicke ins Universum. Eindringlich wurde die NASA darauf hingewiesen, dass in dieser Schlussphase der Entwicklung die Sicherstellung des Missionserfolgs viel wichtiger ist als der Zeitplan und die Kosten. Es wurde empfohlen, das allzu lange angestrebte Startdatum 2018/19 aufzugeben und ab dato für den März 2021 zu planen. Das sind 29 Monate mehr, die eine weitere Milliarde US-Dollar Mehrkosten nach sich ziehen würden. Aber das ist gut angelegtes Geld, auch um mit dem außerordentlichen wissenschaftlichen Potenzial des JWST die führende Rolle der USA in der Astronomie und Astrophysik sicherzustellen. Beeindruckt war der Ausschuss vom Stand des optischen Teils des Projekts: des Teleskops und Instrumentenmoduls. Hier waren die Integrations- und Testarbeiten praktisch abgeschlossen. Sie hatten die angestrebten enormen Steigerungen bei Empfindlichkeit, spektraler und räumlicher Auflösung unter Beweis gestellt.

Empfehlungen für Start und Inbetriebnahme

Intensiviert werden sollten auch die vielfältigen Vorbereitungen für die Startkampagne. Erstmals würde ein so wertvoller NASA-Satellit von einer auswärtigen Organisation an einem ungewohnten Ort – Arianespace in Kourou, Französisch-Guayana – gestartet werden. Die NASA müsse vollen Einblick in alle Einrichtungen und Prozeduren und ein Mitentscheidungsrecht erhalten. Mit Simulatoren und Trockenübungen sollte die Integration des JWST in die Ariane-5-Nutzlastspitze vorbereitet werden. Extreme Reinheit bei den Startvorbereitungen sei sicherzustellen – vielleicht nicht ganz selbstverständlich für einen Ort, an dem vor allem Telekommunikationsatelliten gestartet werden.

Als sehr kritisch stufte der Expertenrat die Inbetriebnahmephase nach dem Start des JWST ein. In ihr finden mehrere Entfaltungen statt: die des stromliefernden Solarpaneels, der Antennen, des Sonnenschilds und des Teleskops, bei dem Teile des Hauptspiegels und der Sekundärspiegelträger präzise umgeklappt werden müssen. Dazu gehören ferner die passive Abkühlphase und die Inbetriebnahme des mehrstufigen mechanischen Kühlers. Zeitaufwändig werden zudem die Justierung des großen segmentierten Spiegels und das Austesten aller wissenschaftlichen Instrumente. Diese Aktivitäten werden sechs Monate erfordern, bevor die geplanten astronomischen Beobachtungsprogramme beginnen können. Deshalb wurde der NASA empfohlen, alle Arbeiten dieser kritischen Phase einem besonders zu ernennenden Commissioning-Manager mit allumfassender Verantwortung zu unterstellen. Diese Position wäre mit einem Weltklasse-Systemingenieur zu besetzen, der intime Kenntnisse der JWST-Konstruktion haben müsse. Zusätzlich solle die Inbetriebnahmephase durch die Bereitstellung von realitätsnahen Simulatoren für das Space Telescope Science Institute (STScI) abgesichert werden. Dazu gehört auch ein Nachbau des kritischen Sonnenschilds mit der großen Zahl von Mechanismen. Bei Problemen im Weltraum könnten so leichter Lösungen gefunden und sicherheitshalber am Boden ausprobiert werden, bevor Befehle ans JWST gesendet werden. Der Sonnenschildnachbau wurde schließlich im Frühjahr 2019 fertiggestellt.

Der Bericht der unabhängigen Experten wurde von der NASA dankbar aufgenommen und im Juni 2018 die Zusage gemacht, die 32 Empfehlungen umzusetzen. Ab jetzt galt offiziell das neue Startdatum März 2021. Die Kosten für Entwicklung und Mission wurden nun mit 9,66 Millirden US-Dollar angenommen. Bei einer Überprüfung der Umsetzung ein Jahr später konnte der Vorsitzende des Ausschusses berichten, dass die NASA 90 Prozent der Empfehlungen implementiert habe. Allerdings seien die Vorbereitungen für den Start mit der Ariane 5 noch nicht so transparent wie bei US-Raketen. Und auch das schnelle Schwinden der Reserven im Zeitplan für Arbeiten in der Industrie mache Sorgen.

Abschließende Vorbereitungen

Der neue realitätsnahe Zeitplan erlaubte die sorgfältige Durchführung der für das Gesamtsystem JWST noch ausstehenden Tests. Im Herbst 2020 wurde das vollständig zusammengebaute riesige Observatorium bei Northrup Grumman den harschen Belastungstests für den Raketenstart unterworfen: Akustiktests für die hochfrequenten Schwingungen und Vibrationstests auf dem Schüttler für die niederfrequenten Belastungen, so wie sie beim Start mit der Ariane 5 zu erwarten sind. Alle Tests verliefen erfolgreich.

Parallel zum Satelliten in Kalifornien wurde das JWST-Bodenobservatorium im fernen Baltimore gründlich überprüft. Das dort ebenfalls im STScI beheimatete Webb Mission Operation Center sendete und empfing Signale von allen wissenschaftlichen Instrumenten an Bord des noch auf kalifornischem Boden befindlichen übertragung einbezogen, so wie es beim späteren Flug der Fall sein würde. Intensiv wurde für den großen Starttag geübt, auch unter Einbeziehung eines Notkontrollzentrums für Webb bei Goddard in Maryland. In Trockenübungen beim STScI konnte die Umsetzung der astronomischen Beobachtungsprogramme in Beobachtungspläne und Kommandofolgen bis hin zum Signalempfang und zur Bereitstellung der aufbereiteten wissenschaftlichen Daten an die astronomische Community demonstriert werden.

Bei diesen abschließenden Vorbereitungen in den Jahren 2020/21 wurde der Zeitplan unerwartet durch die Covid-19- Pandemie beeinflusst, denn zusätzliche Schutz- und Sicherheitsmaßnahmen erforderten überall mehr Zeit. Eine mehrmonatige Verspätung gegenüber dem geplanten Startdatum März 2021 wurde unausweichlich.

Im Sommer 2021 konnte schließlich der ausfahrbare und thermisch isolierende Verbindungsturm zwischen dem sehr kalten Teleskopteil und dem warmen Satellitenteil letztmalig getestet und dann in der startgerechten Position eingerastet werden. Anschließend wurde symbolträchtig die Schutzkappe vor der zentralen Öffnung im Hauptspiegel entfernt, damit das Zusammenfalten des Sonnenschilds ungestört erfolgen konnte (siehe »Wie ein Schmetterling vor der Entfaltung«, S. 36). Dieser wurde nun letztmalig am Boden zusammengelegt, und seine Haltestrukturen wurden in die startgerechte Position Observatoriums. Für möglichst wirklichkeitsnahe Simulationen wurden die riesigen Radioantennen der NASA zur Signalfür den Einbau in die enge Nutzlastspitze gebracht. So zusammengefaltet wurde das JWST im September 2021 in einen Reinraum-Transportbehälter verpackt.

Von Kalifornien aus erfolgte der erschütterungsfreie 16-tägige Schiffstransport durch den Panamakanal ins 9000 Kilometer entfernte Französisch- Guayana. Nach der Ankunft am 18. Oktober konnte das Teleskop im Reinraum des Startzentrums Kourou unbeschädigt dem Transportbehälter entnommen werden (siehe »Ankunft am Startplatz«). Bei der Montage des JWST auf dem Adapter zur Rakete gab es noch eine letzte Schrecksekunde: Ein Halteband löste sich unplanmäßig, das Teleskop wurde leicht durchgeschüttelt. Sofort eingeleitete umfangreiche Überprüfungen zeigten keinen bleibenden Schaden, aber der für den 18. Dezember geplante Start musste um vier Tage verschoben werden. Gleich danach begannen die Startvorbereitungen, zu denen das Auftanken des Satelliten mit Hydrazin und Stickstofftetroxid für die Triebwerke zur Bahnkorrektur gehörte. Schließlich wurde das JWST auf einem speziellen Adapter auf der Rakete montiert, über dem die schützende 17 Meter hohe Nutzlastspitze angebracht wird. Zum Redaktionsschluss verliefen alle Vorbereitungen planmäßig und der Starttermin am 24. Dezember 2021 war aktuell.

Nach dem Abflug folgen 29 sehr aufregende Tage, in denen das Observatorium entfaltet und in seinen betriebsnotwendigen Zustand gebracht wird. Während das JWST seinem 1,5 Millionen Kilometer entfernten Ziel entgegenrast, wird zwischen dem dritten und neunten Tag im All der komplexe Sonnenschild in mehreren Schritten aufgespannt – dafür müssen mehr als 100 Mechanismen einwandfrei funktionieren. Zwischen dem 10. und 13. Tag nach dem Start sollten auch Sekundär- und die Hauptspiegelseitenteile umgeklappt und in ihren Endlagen eingerastet sein. Am 29. Tag werden die Triebwerke gezündet, und JWST schwingt in die Bahn um den Lagrange-Punkt L2 des Erde-Sonne-Systems ein. Damit wäre die bisher komplizierteste Inbetriebnahme eines Satelliten weitgehend abgeschlossen. Danach kann sich das Kontrollzentrum am STScI der Feinjustierung der Spiegelelemente mit 126 Aktuatoren auf ihren Rückseiten widmen, was mehrere Monate in Anspruch nehmen kann.

Erster Beobachtungszyklus

Zeitgerecht vor dem Start hatte das STScI in Baltimore den Beobachtungsbetrieb vorbereitet. Dazu gehörte die Auswahl der astronomischen Beobachtungsprogramme. Sie erfolgte in drei Klassen:

■ 1. Der Direktorenzeit, für die wenige Vorschläge ausgewählt wurden, um die Fähigkeiten des Observatoriums schnell zu erkunden und der wissenschaftlichen Community die Ergebnisse sofort zugänglich zu machen.

■ 2. Der Garantiezeit, mit denen die am Bau der Instrumente beteiligten Wissenschaftler vergütet werden.

■ 3. Der offenen, für alle Astronomen zugänglichen Zeit – 6000 Stunden im ersten Zyklus. Hier herrschte starker internationaler Wettbewerb, und aus etwa 1000 Vorschlägen wurden nach strenger Begutachtung 260 ausgewählt.

Erstaunlich ist, dass rund ein Viertel aller erfolgreichen Programme die Erforschung von Exoplaneten im weitesten Sinn zum Ziel hat – ein Thema, das bei den ersten Vorbereitungen zu diesem Observatorium vor einem Vierteljahrhundert noch gar keine Rolle spielte. Mit JWST können die infraroten Spektrallinien lebensrelevanter Moleküle in den Atmosphären der Exoplaneten aufgespürt werden. Ein Überblick zu den wissenschaftlichen Programmen wurde bereits präsentiert (siehe SuW 7/2021, S. 42).

Überraschend: Sorgen mit der Ariane 5?

Da die bewährte Rakete über 100 erfolgreiche Starts vorweisen kann, galt sie lange als sicherer Baustein im langen und schwierigen JWST-Programm. Für einige Zuhörerinnen und Zuhörer überraschend, wurden auf einer Pressekonferenz von ESA, NASA, CSA und Arianespace im Juli 2021 zwei kleine Probleme mit dem Träger angesprochen. Bei den letzten Flügen waren beim Aufklappen der Nutzlastspitze in 100 Kilometer Höhe stärkere Vibrationen auf die Nutzlasten übertragen worden. Die Satelliten blieben zwar unbeschädigt, aber das komplexe JWST wollte man keinem Risiko aussetzen. Außerdem bestand die Sorge, dass bei der schnellen Druckverminderung beim Raketenaufstieg die Luft nicht schnell genug aus der 17 Meter hohen und 5,4 Meter breiten Spitze entweichen kann. Möglicherweise verbleibende Lufteinschlüsse in den riesigen, gefalteten Sonnenschildsegeln könnten durch den plötzlichen Druckabfall beim Öffnen der Raketenspitze zu Beschädigungen führen. Der Hersteller, die schweizerische Firma Ruag, modifizierte die Raketenspitzen entsprechend, und beim 110. Flug einer Ariane 5 mit Nachrichtensatelliten im Juli 2021 konnte die verbesserte Hülle erprobt werden. Im Oktober 2021 gab es einen weiteren Flug der Rakete, den letzten vor dem für das JWST im Dezember 2021 geplanten.

Nach dem Abflug

Sobald sich das JWST auf der Reise nach L2 befindet, können wir erleichtert auf die lange und schwierige Geschichte seiner Entwicklung zurückblicken. Sie bleibt einerseits in Erinnerung durch die mehrjährige Verzögerung und bedeutende Kos- tensteigerungen (siehe »Eine Geschichte der Verzögerungen«). Die Ursache dafür war vor allem übergroßer Optimismus bei Entwicklungen im technischen Neuland: So wurde erstmals ein riesiger entfaltbarer Sonnenschirm geschaffen; dazu das größte Teleskop, das je in den Weltraum gestartet wurde, segmentiert und faltbar, mit aktiver Steuerung für das Zusammenspiel aller Spiegelelemente. Erstmals wurde ein aktives Kühlsystem mit mechanischen Aggregaten für Temperaturen dicht über dem absoluten Nullpunkt gebaut, das längere Betriebszeiten als die bisher verwendeten Kryostaten mit flüssigen oder festen Gasen erlauben soll. Rückschläge bei einzelnen Entwicklungen erforderten neue Lösungen und wiederholte Testkampagnen. Sie kosteten viel Zeit und viel Geld, denn überall mussten Teams für das Gesamtvorhaben zusammengehalten werden. Und gegen Ende hat auch die Corona-Pandemie einen Preis gefordert.

Jeder Europäer hat mit dem Gegenwert eines Hamburgers aus dem Schnellimbiss zum JWST beigetragen.

Andererseits hat sich die erfolgreiche Meisterung aller dieser Herausforderungen tiefer ins Gedächtnis eingegraben als der steinige Weg zum Ziel. Der Erfolg ist schließlich über 1000 Beteiligten aus Wissenschaft und Technik in 14 Ländern zu verdanken, die über Jahrzehnte an der großen Gemeinschaftsleistung mitge- wirkt haben. Auch die astronomisch hohen Kosten darf man heute nüchterner sehen: Jeder Europäer hat mit dem Gegenwert eines Hamburgers aus dem Schnellimbiss beigetragen, jeder Amerikaner mit dem Gegenwert einiger Big Macs. Dafür werden wir aber alle statt mit Fast Food für viele Jahre mit interessanten Entdeckungen aus dem Kosmos gefüttert werden: Wie ging es nach dem Urknall weiter? Wie und wann entstanden die Elemente, aus denen unsere Erde und wir Menschen bestehen? Wie häufig sind bewohnbare Exoplaneten? Vielleicht werden viele erdähnliche Planeten in bewohnbaren Zonen entdeckt und studiert werden. Wenn sich dort nirgends Anzeichen für Leben finden sollte, wäre das auch eine strenge Mahnung an unsere gegenwärtige Zivilisation, mit unserer einzigartigen Erde sorgsamer umzugehen, als wir es gegenwärtig tun.

Wenn dieser Rückblick erscheint, ist das JWST-Observatorium hoffentlich auf seiner Reise nach L2, und das Bodenobservatorium empfängt gute Nachrichten von den zahlreichen Entfaltungen und Erprobungen der Instrumente (siehe »Reise ins All«). Weltweit warten tausende Forschende gespannt auf die ersten hochaufgelösten Bilder und Spektren aus den bisher dunklen Zonen des Universums.

Literaturhinweise

Lemke, D.: Das James-Webb-Teleskop. Teil 1: Besuch in einer Zeit, in der die Galaxien jung waren. Sterne und Weltraum 9/2014, S. 30 – 40

Lemke, D.: Das James-Webb-Teleskop.

Teil 2: Meilensteine, Menschen, Milliarden. Sterne und Weltraum 10/2014, S. 44 – 52

O’Callaghan, J.: Das erste Jahr des Hubble-Nachfolgers. Sterne und Weltraum 7/2021, S. 42 – 48

Weblinks

JWST-Webseite der NASA: https://jwst.nasa.gov

JWST-Webseite der ESA: https://sci.esa.int/web/jwst/