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Astronomische UV Satelliten

Einführung

Dieser Artikel befasst sich mit den astronomischen Satelliten, die UV Strahlung detektieren. Als UV Strahlung betrachtet man die Strahlung mit einer Wellenlänge von unter 380 nm (daran schließt sich das sichtbare Licht an) bis hinunter zu 1 nm Wellenlänge. Mit Ausnahme der extrem kurzwelligen Strahlung kann man UV Strahlung wie Licht durch Optiken bündeln, es können aber nur Spiegel eingesetzt werden, da Glas und auch Quarz unterhalb von 350-200 nm Wellenlänge (je nach Glassorte) für UV Strahlen undurchlässig ist. Die untere Grenze ist nicht ganz eindeutig definiert, da manchmal schon Strahlung unterhalb 100 eV Energie pro Photon oder 10 nm Wellenlänge als Röntgenstrahlung angesehen wird.

UV Strahlung wird durch die Ozonschicht auf der Erde recht wirksam absorbiert, hochenergetische UV Strahlung aber praktisch durch jedes Molekül in der Atmosphäre. Um im UV Untersuchungen durchführen zu können musste man daher in den Orbit gehen. Im Vergleich zu den Röntgenstrahlen oder Gammastrahlen gibt es relativ wenige Satelliten die nur für UV Untersuchungen spezialisiert sind. Sehr oft findet man UV Teleskope als Zusatzinstrumente bei anderen Missionen, da schon ein relativ kleines Teleskop eine höhere Auflösung als ein Röntgenteleskop aufweist, da man Röntgenstrahlen viel schwerer bündeln kann.  Das extreme Ultraviolett kann man wie Röntgenstrahlen nur durch streifen an der Oberfläche bündeln. Die Teleskope gehen dann langsam in den Wolter Typ über, der bei Röntgenstrahlen eingesetzt wird.

Detektoren sind heute im Bereich nahe des sichtbaren Lichtes spezielle CCD. Für das niederenergetische UV waren (und sind) Photomultiplier die häufigsten Detektoren bei denen das energiereiche Licht eine Kaskade von Photonen auslöst wenn es auf eine lichtempfindliche Schicht trifft. Diese prallen dann auf eine Kathode und werden dort als elektrisches Signal detektiert. Eine zweite Möglichkeit die man auch mit Photomultipliern kombinieren kann sind Microchannel plates (MCP): Es handelt sich um bis zu 10 Millionen feine Kanäle in einem Glas-Substrat von 10 Mikrometer Durchmesser. Durch eine hohe Spannung zwischen den beiden Oberflächen schlägt werden die Elektronen die ein Photon am Rande des Kanals herausschlägt beschleunigt und schlagen beim nächsten Prallen auf die Innenwand weitere Elektronen aus dem Material. So bildet sich ein immer größerer Elektronenstrom der im Zick-Zack den Kanal passiert und am anderen Ende detektiert wird.

TD-1

TD-1TD-1 war der ambitionierteste ESRO Satellit der entwickelt wurde. Er sollte den Himmel im UV Kartieren und weiterhin nach Röntgenquellen und Gammastrahlenquellen suchen. TD-1 wog 473 kg, wovon 120 kg auf die Instrumente entfielen. Der Satellit hatte Abmessungen von 0.9 x 1.0 x 2.2 m und bestand aus einem oberen Instrumentenmodul und einem unteren Servicemodul. 9.360 Silizium Solarzellen auf zwei Panels lieferten den Strom, der von einer Nickel-Cadmium Batterie abgepuffert wurde. Sie gaben dem Satelliten eine Spannweite von 5.0 m. Er wurde mit einer Genauigkeit von 1 Bogensekunde ausgerichtet und rotierte mit einer Umdrehung pro Orbit um seine X-Achse. Dieser war so gewählt worden, dass er in einem halben Jahr den ganzen Himmel abscannte und eine Kartierung im UV Bereich durchführte. Entsprechend war auch die Design-lifetime des Satelliten 6 Monate, er arbeitet schließlich bis zum 4.5.1974 mehr als 2 Jahre lang. Gestartet wurde er am 12.3.1973 von einer Thor-Delta in einen 531 x 539 km hohen, um 95.3 Grad zum Äquator geneigten Orbit von der Vandenberg Air force Base aus. Auch der Name "TD-1" sagte etwas aus: Dies war ein Satellit der mit der Thor-Delta gestartet werden sollte (die meisten anderen ESRO Satelliten waren viel leichter und wurden mit einer Scout gestartet).

Sehr früh fielen beide Bandrekorder aus, Dies geschah am 23.5.1972, nur 2 Monate nach dem Start am 12.3.1972. Die Bandrekorder sollten die Daten aufzeichnen und in der Nähe einer Bodenstation mit hoher Geschwindigkeit (30.6 KBit/sec bei 3 W Sendeleistung, verglichen mit 1.7 KBit/sec bei der Aufzeichnung oder dem Senden von Realzeitdaten mit 0.3 W Sendeleistung) wiedergeben. Um die Mission zu retten aktivierte man rund um den Globus 40 Empfangsstationen und konnte so über 95 % des Orbits Empfang halten. 30.000 Sterne wurden im UV kartiert. Im Oktober 1972 war die Mission nominell zu Ende und weil der Orbit sich nun so verschoben hatte das die Erde die Sonnensensoren beschattete wurde der Satellit zwischen Oktober 1972 und Februar 1973 stillgelegte. Es folgte eine zweite Beobachtungsperiode von März-Oktober 1973, die produktivste der Mission, bei der man über 70 % des Orbits Daten abrufen konnte. Danach fing einer der Bandrekorder wieder an zu arbeiten. Man legte nun wieder den Satelliten still zwischen Oktober 1973 und März 1974 und nahm dann den Betrieb erneut auf. Am 4.5.1974 waren die 11 kg Stickstoff unter Druck als Lagekontrollgas aufgebraucht und der Satellit konnte nicht mehr stabilisierst werden. Er wurde deaktiviert. Bis dahin hatte er zweieinhalb mal den Himmel vollständig im UV kartiert. Dieser Katalog wurde erst im Jahre 2003 durch den der GALEX Mission abgelöst. Am 9.1.1980 trat er in die Erdatmosphäre ein und verglühte.

Die Experimente an Bord waren folgende:

IUE

IUE ist die Abkürzung für International Ultraviolett Explorer. Der Satellit war ein sehr erfolgreiches Gemeinschaftsprojekt der NASA, der ESA und England. Er war das erste gemeinsame Programm der NASA und der erst drei Jahren vorher gegründeten ESA. Er wurde am 26.1.1978 von einer Delta 2914 gestartet. Die Startmasse betrug 669 kg, davon blieben nach Ausbrennen des Apogäumsantriebs noch 350 kg übrig. Zwei Solarpanels lieferten anfangs 442 Watt Strom. Ganze 127 kg, also mehr als ein Viertel der Orbitmasse entfielen auf die beiden Experimente. Der Satellit hatte die Form eines Oktagonalen Prismas von 1.45 m maximalem Durchmesser und

Die Aufgabe des Satelliten bestand in der Spektrographie im UV Bereich. Er verfügte über ein Cassegrain Teleskop mit 45 cm Durchmesser und 130 cm Länge bei 675 cm Brennweite an das zwei Spektrometer angeschlossen waren. Das eine deckte den kurzwelligen Bereich des Spektrums ab (115-195 nm), das zweite den langwelligeren UV Bereich (190-320 nm). Die spektrale Auflösung betrug nur 0.01 nm. Sie wurden erstmals über Lichtfaserkabel an die Optik angeschlossen. Sie konnten ein Gebiet von 3 x 209 und 10 x 20 Bogensekunden untersuchen.

Die Ausrichtung wurde kontrolliert durch im UV Bereich empfindliche Kathodenstrahlröhre, die Bilder mit 500.000 Punkten zu je 256 Grauwerten im UV anfertigten. Der Satellit konnte mit einer Genauigkeit von 2 Bogensekunden ausgerichtet werden. Eine war sensitiv im Bereich von 115-195 nm und die andere im Bereich von 175-330 nm.

Er umkreiste die Erde auf einer 24 Stunden Bahn, allerdings einer elliptischen von 26.000 x 46.000 km Entfernung nach dem Start (30.000 x 42.000 km zu Missionsende). Diese ungewöhnliche Bahn führte zu einem Kontakt mit den beiden Bodenstationen der beteiligten Ländern: Villafranca in Spanien und Greenville in Maryland während eines Umlaufs. 16 Stunden lang war er im Empfangsbereich der Station in den USA und acht Stunden in dem der ESA. Dies entsprach genau der finanziellen Beteiligung an dem Projekt. Die große Erdentfernung bedeutete auch, dass der Satellit nicht so sehr wie erdnahe Satelliten von dem Problem der Abschattung betroffen war. Die Erde deckt bei einem erdnahen Satelliten nahezu die Hälfte der Himmelshemisphäre ab. Durch die schnelle Rotation um die Erde in rund 90 Minuten bei erdnahen Satelliten wie z.B. Hubble können viele Objekte nur einen halben Umlauf lang, also rund 50 Minuten lang beobachtet werden. IUE konnte alle 90 Minuten rund 60 Minuten lang ununterbrochen ein Objekt beobachten.

Es gab zwei Modi mit 0.01 und 0.6 nm spektraler Auflösung. Im ersten konnte man Objekte bis zu 12 Größenklasse untersuchen, im zweiten bis zur 17 Größenklasse. Bei diesem Modus gab es Integrationszeiten von bis zu 14 Stunden. Erstmals gab es für die Forscher nahezu Echtzeitzugriff auf die Daten. Schon 1 Stunde nach der Übertragung konnte man sie abrufen. Gesendet wurden die Spektren mit 1,25 bis 40 Kbit/s im  S-Band bei 2.250 MHz mit 6 Watt Sendeleistung. Kommandos wurden im VHF Band bei 139 MHz empfangen.

Ursprünglich war IUE für eine Lebensdauer von drei Jahren ausgelegt mit einer Option sie auf fünf Jahre zu verlängern. Der Treibstoff (27.3 kg Hydrazin) sollte für diese Zeitdauer reichen, er übertraf diese aber bei weitem. Dabei sah es zuerst schlecht aus. Die Backupkathosenstrahlröhren waren kurz nach dem Start ausgefallen. Bis 1985 fielen vier der sechs Kreisel, mit denen der Satellit gedreht wurde aus. Schon bis 1987, als die Lebensdauer des Satelliten weit überschritten war hatte der Satellit über 60.000 Spektren von 9.000 Sternen, 1.200 Galaxien, 1.000 Emissionsnebel und 90 Objekten des Sonnensystems angefertigt. Darunter Observationen des Halleyschen Kometen und der ersten in der Magellanschen Wolke beobachtete Supernova 1987A.

Bis zum Missionsende sollten es über 100.000 werden. Der Satellit wurde auch so lange betrieben weil er lange Zeit der einzige war der im UV Bereich arbeitete. Auch als man über das HST (Hubble Space Telescope) verfügte, wurde er benutzt weil sein Gesichtsfeld von 16 Bogenminuten größer als das von HST war und er so für Voruntersuchungen für das HST dienen konnte. Als im Jahre 1985 der vierte von sechs Gyros ausfiel benutzte man den Sonnensensor zur Feinausrichtung des Satelliten und entwickelte eine Softwarelösung.

Bis zum Oktober 1995 arbeitete der Satellit kontinuierlich. Nur 1985 fiel er einmal für eine Woche aus. Danach stieg die NASA aus dem Projekt aus, um Geld zu sparen. Das letzte Jahr nutzte die ESA ihn dann während 16 Stunden des 24 Stunden Umlaufs in dem Bereich indem er sich über den Strahlungsgürteln befand. Bis auch hier der alternde  Satellit zum Abschalten 30.19.1996 führten. Zu diesem Zeitpunkt war die Stromversorgung auf 170 Watt abgefallen, weniger als die 210 Watt, die benötigt wurden um beide Experimente zu betreiben. Vor allem aber war das Hydrazin nahezu aufgebraucht. Der Kommandoempfänger an Bord des IUE wurde nach 18,7 Jahren Betrieb abgeschaltet.

EUVE

EUVEEs dauerte 14 Jahre bis ein Nachfolger von IUE am 7.6.1992 gestartet wurde: Der Extrem Ultraviolett Explorer EUVE. Der 3.275 kg schwere Satellit wurde von einer Delta II in eine 515-527 km hohe 28.4 Grad zum Äquator geneigte Bahn gebracht. EUVE hatte zwei Aufgaben: Primär sollte er eine gesamte Himmelsdurchmusterung im Wellenbereich von 7-76 nm Wellenlänge durchführen. Danach sollte er einzelne Quellen genauer untersuchen.

Es gab 4 Teleskope an Bord. 3 Wolter Schwarzschild Teleskope scannten den gesamten Himmel während eines Orbits ab. Danach wurde der Satellit um 2 Grad geschwenkt um den nächsten Streifen zu gewinnen. In 4 Bändern wurde jeweils ein Bild gewonnen. Die Belichtungszeit betrug 500 Sekunden pro Bild bei einer Auflösung von 6 Bogenminuten pro Pixel. Das Gesichtsfeld der ersten Kameras mit Filtern von für 4,4-22 nm und 14-36 nm betrug 5 Grad. Das Gesichtsfeld der dritten und vierten Kameras mit Filtern für 52-75 nm und 40-60 nm betrug 4 Grad.

Ein viertes Wolter-Schwarzschild Teleskop hatte ein Gesichtsfeld von 2 x 180 Grad. Es wurde die Spektroskopie mit einer Auflösung von 0.1-0.2 nm benutzt. Angeschlossen waren zwei Spektrometer. Dieses Teleskop schaute in die Ekliptik und untersuchte die galaktische Ebene.

Beide saßen auf einem Multi-Mission-Spacecraft, das für verschiedene Missionen einen gemeinsamen Bus zur Verfügung stellen sollte. Der Satellit war Dreiachsenstabilisiert mit einem Referenzsystem auf Basis von Star Tracker Kameras. 2 Solarpanels lieferten 1100 Watt an Strom für Satelliten und Instrumente.

Die Mission wurde zweimal verlängert. Sparmaßnahmen bei der NASA zwangen dazu verschiedene operierende Satelliten aufzugeben, darunter war auch EUVE. Er wurde am 31.1.2001 abgeschaltet. Ohne Kurkorrekturen wurde sein Orbit rasch instabil und er trat knapp ein Jahr später am 30.1.2002 wieder in die Erdatmosphäre ein. Insgesamt 801 Objekte wurden während der Missionszeit beobachtet.

FUSE

FUSEDer  Far Ultraviolet Spectroscopic Explorer (FUSE) erforscht das Ferne UV, nicht wie EUVE das extreme UV, also mehr den langwelligen Teil, der näher beim sichtbaren Licht ist. Er wurde am 24.6.1999 mit einer Delta 7320  gestartet. Ziel des Satelliten ist die Erforschung in der UV Strahlung bis zum Lyman Limit, der ersten Emissionslinie von Wasserstoff bei 91.2 nm Wellenlänge. Die Instrumente sind daher empfindlich von 905-115 nm Wellenlänge. Ab 115 nm Wellenlänge ist das Hubble Space Teleskop empfindlich, so dass dieser Satellit HST im fernen UV ergänzt.

Vorher gab es in diesem Spektralbereich nur die Erforschungen von OAO-3, die 30 Jahre früher stattfanden, so ist es nicht verwunderlich, dass FUSE 100 mal empfindlicher als OAO 3 (Copernicus Satellit) ist. FUSE ist eigen gemeinsames Projekt von NASA und der kanadischen Weltraumagentur CSA.

Der Satellit besteht aus einem Satellitenmodul und der sich darauf befindlichen Nutzlast. Der Satellit ist 7.6 m hoch und wiegt 1400 kg. Daten werden im S-Band mit 5 Watt Sendeleistung und 40 KBit/s übertragen. Solarpanels liefern 520 Watt an Strom. Das Satellitenmodul wiegt ohne Treibstoffe 580 kg.

Die Nutzlast benutzt 4 parallele Spiegel nach dem Rowland Design von jeweils 35 x 39 cm Größe. Daran angeschlossen sind hochauflösende Spektrometer mit holographischen Gittern um ein Spektrum mit einer Spektralauflösung von λ/Δλ = 24000-30000 zu bekommen. Detektiert wird mit jeweils zwei Zeilen aus Microchannel Plates (MCP). Zwei der Instrumente haben einen Siliziumcarbid Filter für das Spektrum von 90.5-110 nm Wellenlänge und zwei haben Lithiumfluoridfilter für 100-115 nm Wellenlänge. Das Blickfeld beträgt 21 Bogenminuten und die Ausrichtung ist auf 0.5 Bogensekunden genau. Das Licht landet in einem Kreis von 1.5 Bogensekunden. Die Abmessungen der beobachteten Himmelsfelder liegen bei 1.5 x 20, 4 x 20 und 30 x 30 Bogensekunden. Die Nutzlast wiegt insgesamt 760 kg.

Der Satellit gelangte in einen 752 x 767 km hohen sonnensynchronen Orbit mit einer Inklination von 100 Grad. Die Primäre Mission umfasste 3 Jahre. Nach der ersten Verlängerung der Missionszeit gab es im November 2004 Probleme mit der Kommunikation. Schon 2001 fielen zwei der vier Reaktionsschwungräder an Bord aus, mit denen FUSE gedreht wird. Das führte zu Einschränkungen im Messbetrieb. Als im Januar 2005 nach vorherigen Problemen das dritte Drallrad ausfiel war FUSE nicht mehr ausrichtbar. Beobachtungen waren nur möglich wenn er zum Weltraum blickte. Wenn die Erde ins Gesichtsfeld gerät (das raumstabil ist, aber der Satellit umrundet ja die Erde und die Erde die Sonne, so dass sie irgendwann vor die Instrumente gerät) dann waren monatelang keine Beobachtungen möglich. Man erarbeitete eine Methode welche die Magnetfelddrehung nutzte um damit die Drallräder zu kompensieren. Magnetfelddrehung verwendet einen Elektromotor an Bord, an dem beim Einschalten das irdische Magnetfeld als Kraft einwirkt und versucht ihn zur irdischen Magnetfeldachse zu drehen. Die Kräfte sind sehr klein und nicht für schnelle Bewegungen gedacht. Sie reichen jedoch für eine langsame Drehung des Satelliten aus. 2 Monate lang wurde die Methode im November 2005-Januar 2006 erprobt danach ging FUSE erneut in den Routinebetrieb. Bis dahin hatte der Satellit insgesamt 52 Millionen Sekunden (mehr las 20 Monate) lang Objekte beobachtet.

Am 12.7.2007 fiel das letzte Reaktionsschwungrad aus und es wurde einen Monat lang versucht es wieder in Gang zu bringen. Als dies nicht gelang wurde am 17.8.2007 vom Programmmanagement vorgeschlagen den Betrieb einzustellen.

CHIPS

Der nur 60 kg schwere Satellit wurde als Sekundärnutzlast mit einer Delta 2 am 13.1.2003 in einen 578-594 km hohen Orbit mit 94 Grad Neigung gestartet. Der Satellit ist dreiachsenstabilisiert und hat ein Experiment: Einen Spektrographen mit 0.1 nm Auflösung, empfindlich zwischen 9 und 26 nm im extremen UV, wo 1 Million Grad heiße Emissionsnebel leuchten. pro Orbit wird ein Streifen von 5 x 27 Grad abgetastet.

GALEX

GALEXDer Galaxy Evolution Explorer (GALEX) ist der letzte NASA Satellit zur Erforschung des Universums im UV Bereich. Ziel des kleinen Satelliten ist es während seiner 29 Monate dauernden Primärmission eine Karte des Universums im UV zu erstellen und dabei 10 Milliarden Jahre zurück zu blicken, in die Zeit als sich die ersten Galaxien formten und das Universum 80 % kleiner war als heute.

GALEX gehört zu den "Small Explorers" mit einem kleinen Programmbudget und ist entsprechend auch ein kleiner Satellit, der weitgehend autonom arbeitet, da man nur etwa 10 Minuten pro Tag Kontakt zu ihm hat. er Satellit ist 1.8 m hoch und 1 m breit. Die Nutzlast ist ein 50 cm Ritchey-Chretien Teleskop mit einem rotierenden Prisma. Es hat ein relativ großes Gesichtsfeld von 1.2 Grad. Ein Strahlenteiler lenkt dann das Licht auf die beiden Instrumente, die für das nahe UV (175-280 nm Wellenlänge) und das ferne UV (135-174 nm Wellenlänge) zuständig sind. Detektoren in beiden Fällen sind Microchannel Plates Arrays welche das Signal vervielfachen und auf eine Photokathode als Detektor projizieren. Jeder Detektor hat einen Durchmesser von 65 mm. Durch ein "Grism" (Kombination von Gitter und Prisma) kann auch ein Spektrum erhalten werden. Im Bildmodus beträgt die Auflösung 5 Bogensekunden. Spektren haben eine Auflösung von 0.1-0.2 nm abhängig von der Wellenlänge. Jeder Detektor hat 2.25 Millionen (1500 x 1500) Bildpunkte.

Der 280 kg schwere Satellit benutzt den Orbview-4 Bus eines Erderkundungssatelliten. Er ist dreiachsenstabilisiert und verfügt über 3 Computer zur Überwachung der Nutzlast und der Bordsysteme. Eine Pegasus XL Trägerrakete brachte ihn am 28.4.2003 in einen 670 km hohen, 28.5 Grad zum Äquator geneigten Orbit.  Daten werden im X-Band mit 25 MBit/s und im S-Band mit 2 MBit/s zum Boden übertragen. Die Lage wird durch zwei Gyroskope (Ein halbkugelförmiges Resonanzgyroskop und ein Laserring-Gyroskops) und Star Tracker Kameras sowie Sonnensensoren erhalten. Die Ausrichtung wird durch Reaktionsschwungräder und Magnetfelddrehung bewirkt.Zwei Solarpanels mit einer belegten Fläche von 3 m² liefern 290 Watt an Strom. Es gibt keinen Treibstoff an Bord und keine Korrekturdüsen. Nach fünf Jahren hatte der Satellit insgesamt 200.000 Quellen beobachtet und die Mission wurde verlängert. Im April 2009 fiel der Detektor der zwischen 135 und 174 nm Wellenlänge empfindlich war und der Satellit arbeitete mit einem Detektor weiter. Nach insgesamt vier Verlängerungen wurde der Satellit am 1.7.2013 abgeschaltet. Im letzten Jahr war GALEX von der NASA an das California Institute of Technology verliehen worden. Dieses betrieb den Satelliten mit privaten Mitteln weiter. In diesem Jahr haben Astronomen aus aller Welt das Teleskop genutzt, um große Bereiche des Himmels im Ultravioletten zu erfassen. Zudem wurden bestimmte Regionen über einen längeren Zeitraum anvisiert, was vorher nicht möglich war.

In dem relativ hohen Orbit wird GALEX noch 65 Jahre die Erde umrunden bis er in der Atmosphäre verglüht.


© des Textes: Bernd Leitenberger. Jede Veröffentlichung dieses Textes im Ganzen oder in Auszügen darf nur mit Zustimmung des Urhebers erfolgen.

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