Projekt Facette

Seit etwa dreißig Jahren haben wir wieder einen Wettlauf – nicht im Weltraum, sondern, wer baut das größte Teleskop. Lange Zeit war das 5 m Teleskop von Mount Palomar das größte. Russland baute ein 6 m Teleskop im Kaukasus um es zu schlagen. Doch das gelang nur in der Größe. Die Gründe liegen im Glas. Glas, aber auch Zerodur, aus dem moderne Spiegel bestehen ist eine eingefrorene Flüssigkeit. Ein Spiegel für ein Spiegelteleskop muss auf etwa 0,05 µm genau geschliffen sein. Ab einer bestimmten Größe verformt sich das Glas unter dem Eigengewicht so stark, das die Bildqualität leidet. Das ist wahrscheinlich auch der Hauptgrund für die schlechte Qualität des russischen Teleskopes.

So baute man bis Ende der achtziger Jahre neue Teleskope kleiner, im 3-4 m Bereich. Den Durchbruch brachte die Entwicklung der adaptiven Optik, z.B. mit dem NTT das 1989 eingeweiht wurde. Das Grundprinzip: man lebt mit der Verformung des Glases und gleicht diese durch einen verformbaren Korrekturspiegel aus, bei dem Korrekturelemente eine Zone des Spiegels unter Druck setzen und ihn so wieder in die ideale Form bringen. Zuerst war dies passiv, das heißt man glich aus, was nach Berechnung an Verformung resultierte. Später gab es die aktive Optik: Ein Rechner erfasste das Bild eines Sterns das das Teleskop lieferte und damit auch wie es verformt wurde. Das wurde genutzt um diese Verformung aktiv  auszugleichen. Gab es in dem beobachteten Sterngebiet keinen ausreichend hellen Leitstern (die Korrektur muss mehrere hundert Male pro Sekunde erfolgen, die Belichtungszeit pro Bild ist also kurz), dann kann man mit einem Laserstrahl Natriumatome in der Hochatmosphäre zum Leuchten anregen und so einen künstlichen Stern erzeugen.

Adaptive Optik hat sogar einen Vorteil: Die Kosten eines Teleskops steigen nach Erfahrung mit dem Faktor 6 bei doppeltem Durchmesser. Bestimmt ist dies durch den Spiegel. Je schwerer er ist, desto schwerer ist die Montierung die auch genau nachgeführt werden muss. Adaptive Optik erlaubte leichtere Spiegel. Dadurch wurden die Teleskope billiger. Das deutsche 3,5 m Teleskop auf dem Calar Alto kostete 60 Millionen DM, das NTT mit 3,5 m Durchmesser dagegen nur 35 Millionen. Es ist sogar möglich den Spiegel ganz aus einzelnen Segmenten zusammenzusetzen, wie dies beim Keck Teleskop erfolgte. Auf dieser Technologie wird auch das nächste große Teleskop der ESO, das EELT entstehen und das Thirty Meter Teleskope. Das US-kanadische Magellan Teleskop besteht dagegen aus 7 Spiegeln von 8,4 m Größe.

Während so seit 1990 die Teleskopgrößen immer größer wurden (die größten Einzelspiegel sind derzeit etwas über 8 m groß, segmentierte Spiegel bis 10 m) werden kleinere Instrumente wurden kaum noch gebaut. Da kommt nun meine Idee ins Spiel. Natürlich hat ein großes Teleskop Vorteile gegenüber einem kleinen. Man kann damit weiter ins All hinaussehen, lichtschwächere Objekte beobachten und hat auch eine höhere Auflösung. Auf der anderen Seite ist Astronomie keine statische Wissenschaft. Was interessiert ist nicht ein Bild einer Galaxie oder eines Nebels. Hat man es einmal gemacht, dann müsste man niemals mehr ein neues machen. Auch im All gibt es Veränderungen, die es nötig machen verschiedene Objekte zu bestimmten Zeiten zu beobachten. Vieles Vorgänge im All sind zeitlich variabel. einige Beispiele:

  • Exoplaneten ziehen vor den Sternen vorbei und schwächen das Licht ab, oder ihre Position verändert den gemeinsamen Schwerpunkt von Sternen und Planeten, wodurch siech die Position des Sterns ändert. Sie können nur durch langfristige Beobachtungen von Sternen erkannt und ihre Bahnen bestimmt werden.
  • Asteroiden welche die Erde kreuzen können, müssen entdeckt werden. Bei kleinen Objekten ist dies nur in Erdnähe möglich in der sie nur kurzzeitig sind.
  • Einige Sterne sind aktiv und verändern ihre Atmosphäre und Oberfläche oder das umgebende Medium (Gas)
  • es gibt explodierende Sterne (Supernova) und unregelmäßig aufleuchtende Sterne (Nova)
  • In den Zentren von Galaxien gibt es aktive Zentren und in anderen Galaxien auch häufiger Supernova als bei uns
  • In unserem Sonnensystem wäre das Wetter von Venus, Mars, Jupiter bis Neptun beobachtbar

Für diese Zwecke braucht man keine großen Instrumente. Auf der anderen Seite gibt es eigentlich nie genug Beobachtungszeit für alle Forschungsvorhaben. Mit mehr Teleskopen könnte man die Wartezeit reduzieren und viele Vorhaben angehen, die sonst keine Chance gehabt hätten Beobachtungszeit zu bekommen.

Sinnvoll wäre daher ein Mix kleiner und mittlere Teleskope zum einen für regelmäßige, automatische Suchen und für kleinere Objekte die es zu vermessen gibt. Ich habe das schon mal vorgeschlagen. Auf die Idee kam ich erneut als ich in einem Beitrag von Arte. Ein Team wollte möglichst alle Supernova in nahen Galaxien erfassen und studieren. Dazu bauten sie eine Reihe  von 40 cm und 1 m Teleskiopen. Ein größere Teleskop hätte nur eine Galaxie beobachten können. So hat man eine größere Abdeckung.

Die Idee: wir haben eine internationale Gemeinschaft ähnlich wie es ja auch im Weltraum schon Zusammenarbeit gibt. Die USA, ESO, Deutschland, England, Frankreich, Kanada, Japan als Einzelnationen mit nationalen Teleskopen könnten sich zusammeneschließen und zusammen 1 Milliarde Euro aufbringen. Das ist in etwa das was eines der 30 m Teleskope kostet, die derzeit angegangen werden und davon leistet man sich drei.

Man baut eine Reihe von Teleskopen in Serienbauweise entweder in einer Größe oder in wenigen standardisierten Größen. Das spart Kosten. Genauso entwirft man eine Reihe von Standardinstrumenten wie Spektrometer, CCD Kameras etc. die man in Serienbauweise fertigt.

Doch was kostet heute ein Teleskop? Leider gibt es dazu wenige Daten. Eine Volksternwarte in Deutschland nennt ein 1 m Teleskop in Eigen. Die Kosten dafür betrugen (inflationskorrigiert) 350.000 Euro. Nur ist das leider nicht mit einem Forschungsteleskop zu vergleichen. Charakteristisch für diese Projekte ist der hohe Anteil an Eigeninitiative, das Teleskop wird in entwickelten Gegenden gebaut, während astronomische Sternwarten meistens auf entlegenen Bergspitzen entstehen und man hat bei Amateurteleskopen meist keine aufwendige Instrumentierung. Man kann die Kosten also für eine kommerzielle Version gerne verdoppeln.

Dann gab es letztes Jahr die Einweihung eines 2 m Teleskops auf dem Wendelstein. Doch das war sehr teuer mit 8 Millionen Euro, auch weil man das ganze Material mit Helikoptern auf den Berg schaffen müsste. Ich bin im folgenden von den inflationskorrigierten Daten des NTT auf 2013 ausgegangen: 31,9 Millionen Euro für ein 3,5 m Teleskop und den Erfahrungssatz doppelter Durchmesser = sechsfache Kosten. Dann erhält man folgende Kosten:

Durchmesser Kosten pro Einzelexemplar Anteil Anzahl bei Einzelfertigung Anzahl bei Serienfertigung
1 m 1,25 Millionen Euro 10% 80 123
1,5 m 3,56 Millionen Euro 25% 70 107
2 m 7,5 Millionen Euro 30% 40 58
2,5 m 13,3 Millionen Euro 35% 26 37

Kommt man nun zu einer kleinen Serie, so müssten die Kosten sinken, aufgrund des Gesetzes der Serienbauweise. Die letzte Spalte gibt die Anzahl an, wenn man das Gesetz der Serienbauweise anwendet (n Exemplare kosten n0.7 bis 0.8 anstatt n Euro. Da vieles nicht serialisierbar ist (so werden die Baukosten und Infrastrukturkosten konstant bleiben) habe ich dies nur für 50% der Kosten mit einem Lernfaktor von 0.75 angesetzt.

Für 1 Milliarde Euro würde man also 325 kleine bis mittelgroße Teleskope, anstatt 216 bei Einzelfertigung bekommen. Ein weiterer Vorteil ist auch, dass sie identisch instrumentiert sind, was es einfacher macht Beobachtungen verschiedener Gruppen zu vergleichen oder auszuweichen auf ein anderes Teleskop.

Das Beobachtungsprogramm kann so gestaltet werden, dass ein Teil der Teleskope für Durchmusterungen vorgesehen ist, sie also periodisch den ganzen Himmel auf Veränderungen durchsuchen. Ein weiterer Teil steht für internationale Projekte zur Verfügung, d.h. Forscher reichen, wie dies z.B. auch beim Hubble Weltraumteleskop der Fall ist einen Antrag ein, und es wird entschieden nach der Qualität des Antrags nicht nach der Nation wie viel Beobachtungszeit er enthält. Ein weiterer Teil wäre dann für die Nation zum freien Verteilen unter ihren Astronomen verfügbar, entsprechend ihrer finanziellen Beteiligung. Was es aber ist, ist ein internationales Projekt, d.h. Deutschland hat dann nicht einige Teleskope die es exklusiv für sich nutzen kann, sondern es bekommt einen Anteil an der Gesamtbeobachtungszeit. So kann man sie auch am flexibelsten nutzen.

Eine Milliarde ist auch bei der Astronomie nicht viel. Die ESO hat ein Budget von 143 Millionen Euro. Die USA geben sicher noch mehr aus und viele Länder in der ESO haben noch nationale Observatorien. Dazu kämen noch als Betreiber von Großteleskopen noch Südafrika, Canada, Japan, eventuell noch Indien und China. Nehmen wir an, dass weltweit jährlich 400 Millionen Euro für die Astronomie ausgegeben werden und dieses Programm sich über 10 Jahre erstreckt, dann bedeutet dies, dass mit 25% mehr Mitteln man die Zahl der installierten Teleskope deutlich erhöhen kann. Wikipedia listet 112 Teleskope mit 1,8 m Durchmesser oder größer, davon 63 im Bereich bis 2,5 m Größe. In diesem Segment würde sich die Zahl um 95, also 150% erhöhen.

Für die Öffentlichkeitsarbeit wäre es auch denkbar, einige dieser Teleskope, z.B. 10% aus jeder Klasse als öffentlich verfügbare Internet Teleskope einzurichten, denn aufgrund der großen Zahl werden sie sowieso alle automatisiert arbeiten. d.h. der Beobachter sendet seinen Beobachtungswunsch über das Internet an die Sternwarte wo der Computer das Teleskop ausrichtet und Lifebild und Daten zurückschickt. Dann ist der Weg nicht weit zu einem Teleskop für jedermann.

 

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