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Das Hubble Weltraumteleskop: Die Missionen

Einführung

Das Hubble Weltraumteleskop (HST) ist das bis zum Start des JWST größte Weltraumteleskop, es ist auch das populärste und eines der erfolgreichsten Raumfahrtprojekte überhaupt. Um es angemessen zu würdigen habe ich daher den Artikel über den HST in drei Teile aufgeteilt, damit dieser nicht zu lang wird.

Betrieb

Das Weltraumteleskop kann überall auf den Himmel ausgerichtet werden, nur um die Sonne muss ein 50 Grad großer Bereich ausgespart werden. Durch die Bewegung der Erde auf ihrer Bahn ist so aber jeder Bereich des Fixsternhimmels zugänglich. Eine Ausnahme ist der Planet Merkur, der sich niemals so weit von der Sonne entfernt.

Das Hubble Weltrauminstrument wurde vor allem als visuelles Teleskop konzipiert. Im Laufe der Zeit wurde es um Fähigkeiten vor allem in Infrarot erweitert, da auch abbildende Detektoren für das Infrarot erst nach Hubbles Konzeption entwickelt wurden. Dafür ist es jedoch nicht ausgelegt. So verwenden Infrarotteleskope oft eine aktive Kühlung mit einem (erschöpflichen) Vorrat an flüssigem Helium. Der Versuch mit NICMOS einen Stickstoff-Kühlblock zu installieren scheiterte. Die folgenden Instrumente setzten dann mehr auf  passive Kühlung. Für die höchste Empfindlichkeit im Infraroten ist das Teleskop aber auch zu nahe an der Erde und nimmt zu viel von  der Erde abgestrahlte IR-Strahlung auf. Der Nachfolger JWST wird daher ein reines IR-Teleskop sein und sich weitab von der Erde befinden.

Das HST ist fähig sowohl die lichtstärksten Objekte (die Planeten) wie auch sehr schwache Objekte zu untersuchen. Mehrmals wurde eine "Deep Field" - Aufnahme erstellt. dabei schaute das HST in einen Bereich der eigentlich leer sein sollte. Viele Beobachter legten Beobachtungszeit zusammen sodass man auf mehrere Tage Beobachtung kam. 2004 kam ein weiteres Deep Field hinzu und 2012 ein letztes mit der neuen WFC3. Schon das erste zeigte 3000 Galaxien die bis zu 12 Milliarden Jahre alt sein, das letzte mit 23,1 Tagen Belichtungszeit zeigte noch Galaxien die 500 Millionen Jahre nach dem Urknall entstanden sind. Das schwächste hat eine Helligkeit von -30 Mag. Zum Vergleich: als man das Instrument konzipierte rechnete man mit maximal -27 Mag,  -30 Mag bedeutet dass schwächsten Sterne 4 Milliardenmal lichtschwächer sind als die schwächsten Sterne die man mit bloßem Auge erkennt.

Vor der letzten Servicemission, SM4 sprach die NASA von 880.000 Einzelaufnahmen/Spektren von 29.000 astronomischen Objekten. 7660 wissenschaftliche Artikel wurden publiziert. Die Datenmenge betrug 38 Terabyte.

Ursprünglich war geplant, das Teleskop regelmäßig (geplant alle zweieinhalb Jahre) mit dem Space Shuttle zu bergen, dann mit neuen Instrumenten auszustatten und erneut zu starten. Die rasch ansteigenden Startkosten machten dieses Vorhaben unmöglich. Dann wären doppelt so viele Missionen zu Hubble nötig gewesen. Stattdessen beschloss man das Teleskop im Weltraum zu reparieren und Instrumente auszutauschen. Während letzteres geplant war, war der Austausch von Teilen des "Satelliten" wie Bordcomputer, Kreisel oder Solarpaneelen nie geplant. Sie waren mit vielen kleinen Schrauben fixiert oder konnten nur mit Gewalt entfernt werden. Trotzdem wurde es durchgeführt und erweis sich als machbar.

Start (STS-31 24-29.4.1990)

Start der DiscoveryDas Weltraumteleskop sollte eigentlich 1983 gestartet werden, doch verzögerte sich die Fertigung. Der Hauptspiegel wurde von Perkin-elmer noch fristgerecht 1981 fertiggestellt, doch der Zusammenbau des Optical Assembly erfolgte erst 1984. 1985 wurde dann das ganze Teleskop zusammengebaut und bekam im Dezember 1985 einen Starttermin für den Oktober 1986. 1983 wurde das Projekt von "Space Telescope" in Hubble Space Telescope umbenannt. Edwin Hubble entdeckte nach dem zweiten Weltkrieg, das alle Galaxien in ihren Spektren eine Rotverschiebung aufwiesen und zwar um so größer je kleiner und schwächer sie waren. Er deutete dies richtig als eine Expansion des Raums zwischen den Galaxien wodurch sich weiter entfernte immer schneller von uns wegbewegen und damit hatte er das inflationäre Modell des  Universums, das populär "Urknall" genannt wird experimentell bestätigt. Edwin Hubble ist sicher einer der bekanntesten Astronomen der jüngeren Vergangenheit und zudem Amerikaner. Die Namenswahl war also eine durchaus sinnvolle.

Durch den Verlust der Raumfähre Challenger wurde das Teleskop über drei Jahre eingelagert. Bei einem Projekt dieser Größenordnung bedeutet das weitere Kosten, denn die beteiligten Wissenschaftler kann man nicht einfach entlassen und nach drei Jahren wieder einsetzen. Nach Wiederaufnahme der Flüge bekam das Starten von Hubble nicht die oberste Priorität, die bekamen wichtige US-Militärmissionen, die Raumsonden Magellan und Galileo die ihre Startfenster nicht versäumen dürften und die Fertigstellung des TDRS Netzes das wichtig für die Kommunikation von Hubble, vor allem aber mit den Raumfähren war. Mit STS-31 war schließlich auch das HST an der Reihe.

 Die Raumfähre Discovery setzte Hubble in 612 km Höhe am 25.4.1990 aus. Es war die höchste Bahn die Space Shuttles jemals erreichten. Danach wartete man bis die Raumfähre weg war, öffnete die Abdeckung des Teleskops und nahm nach und nach erst den Satellitenteil in Betrieb. Erst dann kamen die Instrumente dran. Am 20.5.1990 gab es die ersten Testaufnahmen. Doch sie zeigten nicht das anvisierte hohe Auflösungsvermögen von 0.04" (10-20 mal besser als die besten auf der Erde) sondern waren unscharf. Zwar waren sie noch besser als die Aufnahmen auf der Erde, doch im Brennpunkt wurden nur 10-15 % des Lichts gesammelt anstatt geplanter 80%, der Rest wurde auf eine Fläche von 0.6 mm² verschmiert und führte zu den unscharfen Bildern.

Es zeigte sich bei Nachforschungen, dass man bei der Begutachtung des Spiegels eine Linse für einen Laserstrahl um 1.3 mm falsch positioniert hatte. Der Laser tastet den Spiegel ab, und das Muster des reflektierten Lichtes lässt Rückschlüsse auf die Formgenauigkeit zu. Durch die falsche Position wurde am Rande des Spiegels jedoch 2 µm zu viel Material abgetragen, der Spiegel zu flach und die Strahlen vom Außenbereich trafen sich nicht mehr im Brennpunkt. 2 µm klingt zuerst nach nicht viel, doch selbst bei einem billigen Kaufhaus Teleskop ist der Spiegel normalerweise auf 0.06 µm genau geschliffen. (Geplant war eine Genauigkeit von 0,03µm). Er darf nur Unebenheiten haben die kleiner sind als die Wellenlänge bei der beobachtet wird (0,12 bis 1 µm) Da man nach dem Korrigieren des vermeintlichen Fehlers nicht mehr den Spiegel vermessen hat und auch keine Prüfung des gesamten Teleskops vor dem Start machte, (obgleich man es für 4 Jahre einlagern musste) fiel der Fehler nie auf. Damit lag der Fokus von Hubble nicht auf der Spiegeloberfläche, sondern 38 mm dahinter: Hubble war kurzsichtig.

Man versuchte mit großem mathematischen Aufwand einige Bilder durch Bildverarbeitungsverfahren zu verbessern. Dies ging nur bei sehr hellen Bildern mit hohem Kontrast. Die meisten Bilder konnte damit nicht bearbeitet werden. So ging man daran eine Korrekturoptik zu bauen. Diese korrigiert die Verzerrung durch Linsen, die in den Strahlengang eingebaut werden. Man erreicht damit nicht ganz die Auflösung die man sich erhoffte und verliert auch etwas Licht doch sie kann den Fehler weitgehend kompensieren. Die Firma Ball Aerospace baute die Korrekturlinsen namens COSTAR innerhalb von 28 Monaten.

Am 2.12.1993 wurde diese Korrekturoptik eingebaut, für den benötigten Platz musste eines der fünf Instrumente , das HighSpeed Photometer von Hubble weichen. Danach lieferte Hubble Bilder, die dem entsprachen was man sich von ihm erhoffte. Neuere Instrumente beinhalten die Korrekturoptik und brauchen die Korrekturlinsen nicht. Seit 2002 mit der Faint Object Camera das letzte der ursprünglichen Instrumente durch ein leistungsfähigeres ersetzt wurde, ist die Korrekturoptik nicht mehr nötig und die Linsen wurden aus dem Strahlengang des Spiegels geklappt. 2009 wurden sie ganz ausgebaut um den Platz für ein Instrument freizumachen. Hubble ist neben dem SMM Satelliten wohl die einzige Mission bei der ein Shuttle sinnvoll zur Rettung einer Mission war.

Erste Servicemission (SM1, STS-62 2-13.11.1993)

Nachdem man den Defekt in der Optik festgestellt hatte war es relativ einfach eine Lösung zu entwickeln. Das positive an dem Hauptspiegeldefekt war, das er zwar falsch geschliffen war, aber präzise falsch geschliffen. Das bedeutet: die Oberfläche hatte zwar eine falsche Form, doch diese folgte einer exakt vorgegebenen Krümmung. Das kann man durch eine entsprechend geformte Linse wieder korrigieren, genauso wie man eine Fehlsichtigkeit durch eine Brille korrigieren kann. die erste Servicemission hatte daher die primäre Aufgabe diese Korrekturlinsen COSTAR (Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement) genannt einzubauen. Daneben ersetzte man Teile. Von den Instrumenten die Widefield and Planetary Camera durch einen nahezu identischen Nachbau. Die WPFC2 war als Ersatz entwickelt worden und nun baute man in ihr schon die Korrekturlesen ein. Für die korrekturlinsen die man für die anderen Teleskope brauchte musste allerdings ein Instrument weichen. Die Wahl fiel auf das Highspeed Photometer. Andere Instrumente wurden nicht nachgebaut. Auch wenn sich COSTAR anhört wie ein Set von Reperaturlinsen, so war das gesamte Instrument in etwa so groß wie eine Telefonzelle. Die Linsen selbst waren klein, doch sie erforderten einen Rahmen der sie in der richtigen Position und im richtigen Abstand von den Instrumenten platzierte.

COSTAR nahm den Platz des Highspeed Photometers ein, des am wenigsten genutzten Instrumentes. Ein Spiegelsystem lenkte den Strahlengang der Instrumente durch COSTAR und von dort aus dann wieder zu den Instrumenten. Innerhalb des Rahmens von COSTAR konnte nun Korrekturlinsen in den Strahlengang eingeblendet werden. Diese Konstruktion ermöglichte es die Korrekturlinsen zurückzufahren wenn ein neues Instrument schone eine Korrekturlinse integriert hatte. Das war zum Beispiel die ebenfalls bei SM1 installierte WPFC2. Erst bei SM3B wurde mit der FOC das letzte der Ursprungsinstrumente ersetzt und so COSTAR überflüssig. COSTAR hatte auch Nachteile. Die Linsen absorbierten UV-Licht wodurch die UV-empfindlichen Instrumente vor allem der GHRS und FOS stark an Wert verloren, da der kurzwellige UV-Bereich so nicht mehr zugänglich war.

Weitere Ersatzteile waren ein neues Solarpanel. Die Solarpanelle sind sehr dünn und werden aus einer Rolle ausgerollt. Am Ende werden sie fixiert. Durch thermischen Stress drehen und drehen sich die Paneele und sie induzieren damit eine Kraft die auf das Teleskop wirkt. Man konnte diesen Effekt minimieren indem man auf die Ausrichtung achtete und spielte dafür ein Computerprogramm zum Weltraumteleskop hoch. Eine dauerhafte Lösung wäre aber besser. So baute die ESA die Solararrays nochmals, jedoch mit einer verbesserten Befestigung. Sie konnten sich nun am Ende wo sie gehalten wurden leicht ausdehnen und zusammenziehen ohne das diese Bewegung auf die Aufhängung übertragen wurde. dazu nutzte man einen Federmechanismus. Die Aufhängung selbst wurde isoliert um Verdrehung durch Aufheizung zu minimieren und die Trommeln an dem Teleskop erhielten eine Versteifung damit die Panels nicht so stark schwingen konnten. Das Bild rechts zeigt die verwundenen Solar Arrays vor dem Ersetzen. Mit den Solararrays wurden auch die Motoren für das Entfalten und Einziehen der Arrays ausgetauscht,

Das Teleskop wird vor der Wartung außer Betrieb genommen und dann vom Space Shuttle mit dem Canadararm an einem der vielen Haltegriffe eingefangen. Von Dort wird es in die Flight Support Structure bugsiert, einem Element in der Shuttle Bucht. Diese wurde von der solar MAX Mission adaptiert. Das U-Förmige Element fixiert mit drei Haken das Teleskop und kann es um 360 Grad im Raum drehen. So haben Astronauten Zugang zu jeder Stelle.

COSTAR InstallationDas Problematische an der SM1, das auch bei folgenden Missionen auftrat war aber, dass die Astronauten an Teile herankommen mussten die nicht für ein Austauschen vorgesehen waren. COSTAR musste mitten im Strahlengang installiert werden. Diese Arbeit erwies sich als sehr zeitraubend und schwierig. Doch sie gelang. Bei der Gelegenheit wurden zahlreiche Handgriffe am Weltraumteleskop installiert die die Arbeit später erleichtern sollten.

Die alten Solarzellen wurden abgetrennt und verglühten in der Atmosphäre. Die neuen wurden montiert und arbeiten seitdem ohne Probleme. Auch andere mechanische Teile machten Probleme und mussten bei der Mission STS-61 ausgetauscht werden. So zwei Magnetfeldsensoren und zwei Messsysteme für die Gyroskope. Auch der Bordcomputer wurde ergänzt. Als Hubble konzipiert wurde, Mitte der siebziger Jahre war die Computertechnik noch eine andere. Das HST erhielt einen 386-Er Coprozessor. der war 1993 als die Servicemission angesetzt wurde zwar auch schon veraltet. 1998 gab die NASA als Geschwindigkeit des Anfang der siebziger Jahren entwickelten DF-224 Computer als "comparable in speed to modern pocket calculators." an. Der 80386 Coprozessor war eigentlich ein 80386 Prozessor mit 80387 Coprozessor, 1 MByte RAM, 128 KByte ROM mit dem Bootprogramm und 256 KByte ROM mit einem von der Missionskontrolle aus neu programmierbaren Anwendungsprogramm. Die Bezeichnung "Coprozessor" wurde gewählt weil man wegen des technischen Aufwands nicht einen der DF-224 ersetzen wollte. Stttdessen wurde der 80386 zur Unterstützung zusätzlich eingebaut. Er war nötig weil drei der acht Speichermodule des DF-224 ausgefallen waren. Mindestens drei brauchte man für den Betrieb. Zusätzlich zu dem eigenen Speicher hatte der Koprozessor 64 KWorte Speicher die vom DF-224 aus ansprechbar waren, konnte also acht der bisherigen Module ersetzen. Jede Kombination von internen und neuem Speicher war möglich. Der 80386 selbst war ebenfalls redundant vorhanden. Offen ist ob der 80386 nur den Speicher verwaltete oder auch mit Rechenaufgaben betraut wurde.

Weitere Arbeiten umfassten die Installation von zwei Rate Sensing Units - Sets mit je zwei Gyroskopen welche die Lage des Teleskops kontrollieren mitsamt ihrer Elektronik und Acht assoziierten Sicherungen. Dazu kamen zwei neue Magnetometer an der spitze, die helfen sollten das Teleskop mithilfe des Erdmagnetfeldes zu drehen und ein GHRS-Redundancy Kit. Es verhinderte das ein Stromausfall einer der beiden Versorgungsstränge auch den zweiten lahmlegte.

Die Außenarbeiten dauerten 28,5 Stunden,  Mission 11 Tage vom 2 bis zum 13.12.1993. Kurz vor dem Aussetzen des Teleskops  hob die Besatzung die 590 km hohe Bahn noch um 8 km an um die Lebensdauer des Teleskops zu erhöhen.

Servicemission SM2 (STS-82: 11. - 21.2.1997)

Das HST bei SM2Geplant waren Service Missionen alle 30 Monate. Die erste kam nach 42 Monaten, die zweite ebenfalls nach 42 Monaten. Da die Space Shuttles nicht so oft flogen wie geplant war die kurze Besuchsfrist nicht zu halten. Aber auch die Weiterentwicklungen von Instrumenten waren nicht in diesem Rhythmus möglich. STS-82, die dritte Mission zu Hubble hatte als wichtigste Aufgabe das ersetzen von alten Instrumenten. Die Servicemission ersetzte den Goddard High Resolution Spectrograph und den Faint Object Spectrograph durch zwei neue Experimente NICMOS erlaubt infrarotaufnahmen und das Anfertigen von Spektren im Infraroten. Da das Teleskop eigentlich nicht für die Beobachtung dieser Wellenlänge ausgelegt war, hatte man das ganze Instrument in einen Block festen Stickstoffs eingepackt. Er sollte 4-5 Monate reichen, das wäre ausreichend selbst bei Verzögerungen bei der nächsten Servicemission bis man einen Ersatz für diese Kühlung gefunden hatte. Leider wurde beim Einbau etwas falsch gemacht, denn man stellte nach wenigen Monaten, an 4. März 1997 einen thermischen Kurzschluss fest. NICMOS verlor viel schneller den Kühlmittelvorrat als geplant. schon im Januar 1999 war er aufgebraucht. Er hätte mindestens bis Februar 2001 halten müssen.

Das zweite, neue, Experiment war der Space Teleskop Image Spectrograph. Er verfügte anders als die Instrumente der ersten Generation über einen Kamera Mode, konnte also Bilder in jeder Spektralfarbe machen. Derartige Instrumente gab es noch nicht als das Weltraumteleskop konzipiert wurde. Der STIS ersetzte gleich zwei alte Instrumente nämlich den GHRS und FOS. Damit war von den Ursprungsinstrumenten nur noch die Faint Object Camera aktiv.

Wie bei der letzten Servicemission musste man aber auch Ausrüstung ersetzen. Dies geschah zum einen mit Ersatzteilen, so wurde eines der vier Reaktionsschwungräder (Reaction Wheel Assemblies (RWA) durch ein Reserveexemplar) ersetzt, ein Fein Guidance Sensor ebenso und die Modernisierung der Elektronik wurde auch fortgesetzt. So tauschte man einen der beiden Bandrekorder durch einen Solid State Recorder (SSR) - das war ein Speichersubsystem das aus RAM-Bausteinen bestand. er war anders als der bisherige Bandrekorder verschließfrei, hatte einen schnelleren Zugriff und speicherte die zehnfache Datenmenge. Ein weiterer Bandrekorder der 1 Gigabit Daten speicherte wurde als Backupgerät zusätzlich installiert. er ist aber nicht in die Realzeit Operationen eingebunden. Er ist ein Reservegerät vom HST. Da Bandrekorder mit der Zeit verschließen tauschte man einen der beiden Bandrekorder aus.

Des weiteren gab es zahllose kleinere Reparaturen an Abdeckungen, Anschlüssen und Motoren. Die Fine Guidance Sensors die die Feinausrichtung von Hubble überwachen und korrigieren bekamen einen Modus zur Korrektur durch die Bodenkontrolle. Dazu gehörte auch ein Optical Control Electronics Enhancement Kit (OCE-EK) das die Kontrolle über die Elektronik zuließ. Die Data Interface Units (DIU) Nummer 2 (das HST hat vier) wurde ersetzt, nachdem man Fehler in der organalen feststellte. Dasselbe betraf einen der Motoren für die Solararrays. Einer wurde schon bei SM1 ersetzt. Der zweite wurde nun ersetzt und zwar durch die erste Einheit die man bei SM1 geborgen und wiederaufbereitet wurde. Bei den The Solar Array Drive Electronics (SADE) zeigten sich Transistorfehler.

Mit 33,5 Stunden EVA Tätigkeiten war diese zweite Servicemission noch arbeitsintensiver als die erste. Geplant waren vier EVA mit je 6 Stunden plus einem weiteren Tag als Kontingenztag. Nach 11 Tagen war sie am 21.2.1997 beendet. Kurz vorher zündete die Discovery ihre Triebwerke und brachte das HST in eine 594 x 623 km hohe Bahn, höher als jemals zuvor.

Servicemission 3A (STS-103 19-27.12.1999)

SM 3ADie dritte Servicemission wurde in zwei Teile aufgeteilt. Der Grund war der Ausfall von Teilen im alternden Teleskop.  Probleme machten die Gyroskope. Jedes Gyroskop rotiert mit 19320 U/min auf einer Schmierung aus Gas. Sie sind in eine Flüssigkeit eingebettet. Strom wird durch feine Drähte, so dünn wie ein Haar zu den Gyroskopen gebracht. Sie müssen in dem Sauerstoff der Druckluft die zur Schmierung genutzt wurde korrodiert sein. Als STS-82 ablegte, arbeiteten alle sechs Gyros. Vier hatte schon STS-31 ausgetauscht. Dann fiel 1997, 1998 und 1999 jeweils einer aus. Damit war das Minimum erreicht mit dem Hubble arbeiten konnte. Man rechnete daher bald mit einem weiteren Ausfall und um dem vorzubeugen wurde die Servicemission 3 in zwei Teile aufgeteilt: Die Reperaturmission SM 3A und die Mission 3B bei der Instrumente ausgetauscht wurden bzw. NICMOS einen neuen Kühler erhielt (der alte war zwar schon vor SM 3A ausgefallen, aber so kurzfristig hatte man keine Lösung). Geplant war eine neue Servicemission nach frühestens 3 Jahren, also nicht vor Ende 2000. Der Zustand des Teleskops war jedoch bedenklich und so wurde SM3A als reine Reperaturmission eingeschoben. Dies ging auch weil der Aufbau der ISS deutlich den Planungen hinterherhinkte. Sie wurde besonders dringlich als am 13.11.1999 auch der vierte Gyro ausfiel und man Hubble temporär außer Betrieb nehmen musste. Die Servicemission SM3A wurde innerhalb von 7 Monaten zwischen Genehmigung und Abschluss durchgeführt, wie die NASA stolz anmerkte.

Die Besatzung ersetzte alle sechs Gyros durch neue die man in reinem Stickstoff anstatt Druckluft einbettete. Auch an der Elektronik wurde weiter modernisiert. Nachdem man bei SM 2 schon einen der beiden Bandrekorder durch einen Solid State Rekorder ersetzte, machte man, nachdem sich dies bewährte auch beim zweiten. Jeder SSR hat 12 GBit Speicherkapazität (1,5 GByte) zehnmal mehr als die Bandrekorder. Servicemission 1 ergänzte den DF-224 Computer durch einen 80386-Proztessor als "Koprozessor". Nun wurde er komplett durch einen 25 MHz 486 ersetzt. Er hat die 20-fache Rechenleistung des alten Computers, wenngleich er zu diesem Zeitpunkt völlig veraltet war. (1999 konnte man auf dem freien Markt keinen mit nur 25 MHz getakteten 80486 kaufen, Intel hatte die Produktion dieses Prozessor sogar schon eingestellt). Er war doppelt vorhanden und hatte je 2 MByte RAM und 1 MByte wiederbeschreibbares ROM. Nominell sollte ein 486 nicht nur zwanzigmal schneller als der DF-224 sein. Dies war ein 23-Bit-Rechner mit einer Taktfrequenz von 1,25 MHz. Ich vermute die NASA verglich nur die Taktfrequenz und die ist beim 486 20-mal höher. Der neue Computer ist 48 x 46 x 33 cm groß und wiegt 32 kg.

Wie bei SM2 wurde ein FGS ersetzt. Es handelte sich um ein Exemplar das man bei SM2 barg und nun ebenfalls um die Möglichkeit der Einflussnahme vom Boden erweitert nun neu installierte. Ebenso war einer der beiden S-Band Sender ausgefallen. Der zweite reichte für den Betrieb aus, doch man installierte einen neuen um wieder zwei operationell zu haben. Ebenso wurde ein zweiter Solid State Rekorder auf der Basis von RAM-Bausteinen mit Errorkontrolle installiert. Er ist baugleich zu dem schon installierten und ersetzt einen zweiten Bandrekorder.Damit soll das HST mehr Daten speichern können, die von den neuen Instrumenten mit großen CCD-Detektoren geliefert werden. Die Batterien bekamen eine Temperatur- und Spannungskontrolle, die ihre Lebensdauer verlängern soll.

Ebenfalls wurde eine neue thermische Umhüllung um das Teleskop installiert. Die alte zeigte bei der Inspektion 1997 Risse. Diese waren durch den thermischen Stress entstanden. Das Teleskop wird 16-mal pro Tag erhitzt und wenn es auf die Nachtseite eintritt wieder abgekühlt. Während das Innere temperaturgeregelt ist gilt das nicht für die Oberfläche. Die Thermalisolation hat gerade de Aufgabe Temperaturschwankungen zu minimieren. Es war zwar nur die oberste Schicht von mehreren die betroffen war, doch man entschloss sich zur Installation einer neuen thermischen Isolation. Sieben Stücke von je 7 m Höhe bedecken 80% der sonnenzugewandten Oberfläche.

Neue Instrumente installierte die Servicemission 3A nicht. Schon vor der Mission hatte man 1997 die Faint Object Camera außer Betrieb genommen, um die Ressourcen an Beobachtungszeit besser zu nutzen. Die Kamera als letztes der Instrumente der ersten Generation war nun einfach veraltet.

Servicemission 3B (STS 109: 1-12.3.2002)

Sm3 B - neue SolarzellenSM3B war nun die eigentliche Mission bei der die Instrumente der dritten Generation installiert werden sollten.

Bei dieser Servicemission wurde in NICMOS das NCS Kühlsystem installiert nachdem das Instrument im Januar 1999 den letzten Stickstoff verbraucht hatte und eine Kühlung nicht weiter möglich war. NCS leitet flüssiges Neon durch einen Kryokühler und kühlt die Kameras auf -77,15 K ab (der Stickstoff erreichte 61 K, war aber Ressource die sich verbrauchte). Es wurde dann zu einem Radiator an der Außenseite geleitet, wo die Wärme an den Weltraum abgegeben wurde. Das Neon kondensierte aus und wurde dann wieder ins Innere geleitet. Damit hatte man ein System das ohne einen sich verbrauchenden Kühlmittelvorrat auskommt. Dieses System funktionierte über sechs Jahre bis es 2009 bei einem Routinecheck des HST wo die Instrumente temporär abgeschaltet wurde nicht mehr erneut in Betrieb genommen werden konnte. Der Kryokühler erforderte raschrotierende Mikroturbinen, die schnellerste rotierte über 200.000 U/Min die 1998 auf der Space Shuttle Mission STS-95 im Orbit erprobt wurden. Man schreckt normalerweise vor mechanischen Systemen die sich bewegen bei Satelliten zurück, da sie durch die beweglichen Teile leicht ausfallen können (Blockade, Reibung etc.). Doch die Vorteile eines Betriebs von NICMOS über praktisch die gesamte Restzeit die das HST noch hat überwogen.

Ein neues Instrument wurde installiert: Die ACS. Sie ersetzte die FOC und wurde bald zum meisteingesetzten Instrument. Dafür wurde die FOC und Costar das nun nutzlos war (da alle Instrumente integrierte "Korrekturlinsen" hatten ausgebaut. Die ACS hat ein vielfaches der Pixel der WPFC2 und ein viel größeres Gesichtsfeld.

Wie immer standen weitere Reparaturen auf dem Plan. Man ersetzte die ausrollbaren Solararrays durch neue, starre Arrays. Obwohl um ein Drittel kleiner haben sie eine 20-30% höhere Leistung das die Wirkungsgrade von Solarzellen über die letzten Jahrzehnte deutlich angehoben wurden. Die kleineren Solarzellen lassen das Weltraumteleskop auch langsamer absinken und erhöhen so seine Lebensdauer im Orbit. (Bild links)

Dafür wurde auch das Teleskop am Ende der Mission zusammen mit dem Space Shuttle um 6 km im Orbit angehoben. Das verlängerte die Betriebsdauer um zwei Jahre (prognostizierter Weidereintritt rutschte von 2013 auf 2015).

Insgesamt gab es bei der SM3B die wenigsten Reparaturen und Änderungen aller Servicemissionen.

Servicemission 4 (STS-125: 9-24.5.2009)

Kurz nach der Servicemission 3B verglühte die Raumfähre Columbia beim Wiedereintritt, da ein vom externen Tank herabfallendes Stück Schaumstoff ein RCC-Panel an den Flügelvorderkanten beschäftigt hatte, das dann beim Wiedereintritt zum Eintritt von Plasma und zum Verlust der strukturellen Integrität des Flügels führte. Eine der Maßnahmen nach dem Verlust war, dass nun nur noch die ISS angeflogen werden sollte. Hier könnte die Besatzung bleiben bis man eine Rettungsmission auf den weg gebracht hatte. Aufgrund der Bahnneigung von Hubble von 28,5 Grad die stark von der de ISS (51,6 Grad) abwich war es nicht möglich die ISS von dem HST aus zu erreichen. Eine Rettung der Besatzung bei einer Havarie also nicht möglich. Lange Zeit wollte die NASA daher keine weitere Servicemission durchführen. Doch es häuften sich die Ausfälle. Im April 2004 fiel der STIS-Spektrograf aus, im Januar 2007 die ACS-Kamera, das am meisten benutzte Instrument. Die Gyros zeigten Alterserscheinungen und einige waren schon ausgefallen und schließlich fiel im September 2008 das primäre Datenverarbeitungssystem aus. das Reservesystem konnte aktiviert werden doch bei dessen Ausfall hätte es keine Daten mehr von Hubble gegeben. Da nun alle Flüge erfolgreich waren und auch die Maßnahmen zur Reduktion von beim Start herabfallendem Schaumstoff griffen und es dramatisch weniger und kleinere Teile waren kam eine Untersuchungskommission zu dem Urteil, man könnte eine weitere Servicemission zu Hubble riskieren, weil das Instrument in einem schlechten zustand ist und sein wissenschaftlicher Wert so hoch ist.

Übung der Installtion der WFC3Mit STS-125 wurde eine letzte Servicemission genehmigt. Zur Rettung bereitete man an der zweiten Startrampe einen zweiten Orbiter vor der starten sollte, wenn wieder ein Flügel beschädigt ist. Die Servicemission 4 war die letzte und umfangreichste an dem Weltraum Teleskop. es gab nicht nur sehr viele Instrumente auszutauschen sondern auch viele Reparaturen durchzuführen:

Die Reparaturarbeiten waren sehr aufwendig, da es sich um Teile handelte die anders als die großen Instrumente nie für einen Austausch vorgesehen waren. So mussten um an die Platinen des STIS zu gelangen 111 Schrauben gelöst werden.

Das HST nach SM4Alle Arbeiten gelangten, auch wenn zeitweise der Zeitplan stark ins wanken geriet und vieles nicht nach Plan lief. Als STS-125 am 19.5.2009 Hubble wieder entließ, war das Teleskop in einem besseren Zustand als jemals zuvor. Es gab ein neues Instrument und ein verbessertes. In 563 km Höhe beim verlassen der letzten Mission kann  das Teleskop noch etwa 14 Jahre lang (bis 2030) betrieben werden bevor es wieder verglüht. (Qualifizierte Schätzung des Autors basierend auf einem einfachen Atmosphärenmodell, basierend auf dem Absinken seit 2009 bis 2016 in nunmehr (Dezember 2016) 540,9 km Höhe. Mindestens bis 2021 will die NASA es betreiben.

Die finanzielle Seite

Es ist sehr schwer die Gesamtkosten des HST zu beziffern. Da ist zum einen die Betriebszeit über (heute) 25 Jahre, mit unterschiedlichen jährlichen Budgets für den Betrieb. Dazu kommen die fünf Servicemissionen und auch die Kosten für die Experimente und das Weltraumteleskop. Bei den meisten dieser Posten gibt es unterschiedliche Angaben über die Ausgaben. Erschwerend kommt dazu dass die NASA bei den Space-Shuttlemissionen nur angibt wie viel der Flug kosten würde, wenn er nicht stattfindet. Das sind die reinen Missionskosten. Das Space Shuttleprogramm ist aber dadurch charakterisiert, dass viele Tausend Personen in dem KSC, den Primärkontraktoren aber auch Subkontraktoren und Zuliefern nur damit beschäftigt sind zu warten, zu reparieren oder auch nur im Falle von Problemen verfügbar zu sein. Bei ISS Missionen war es so, dass ein Flug 83 Millionen Dollar kostete, die Fixkosten aber 350 Millionen betrugen. Für die Servicemission 3A nannte ein NASA-Paper nur Kosten von 205 Millionen Dollar. Davon 110 Millionen Dollar für den Shutteflug und 95 Millionen Dollar für die Startdurchführung. Das ganze Shuttleprogramm kostete aber in diesem Jahr 2426 Millionen Dollar bei nur 3 Starts. Selbst wenn man das Mittel aus mehreren Jahren nimmt, das sind etwa 5 Flüge pro Jahr so kostet ein Shuttlestart 485 und nicht 110 Millionen Dollar.

Für die letzte Servicemission SM4 war die NASA ehrlicher und gab Kosten von 900 Millionen Dollar an. Diese Mission war deutlich teurer als eine normale Mission, weil eine weitere Raumfähre als "Rettungsboot" parallel zum Start vorbereitet wurde. Zu den Missionskosten kommen dann noch die Kosten für die Instrumente. Die bekannten Kosten einiger Instrumente liegen zwischen 86 und 136 Millionen pro Experiment. Ebenso kosteten die Reparaturteile für SM3A 95 Millionen Dollar. Ähnliches ist auch bei anderen Reparaturen anzunehmen.

Seit der Servicemission SM4 (der letzten, denn die NASA zählt nur vier Servicemissionen obwohl es fünf waren, das die dritte Servicemission in zwei Teile aufgeteilt wurde) hat das STS-Institut ein Budget von 97 Millionen Dollar pro Jahr. etwa 25 bis 30 Millionen Dollar entfallen auf den wissenschaftlichen Betrieb, schließlich müssen die Astronomen auch bezahlt werden. Der größere Rest sind die kosten für die Missionskontrolle und den Datenempfang. Alleine 1000 Personen sind mit dem HST im Jahr 2015 betraut.

1986 wurden die Kosten des HST mit 1,6 Milliarden Dollar angegeben. Vor STS-125, der letzten Servicemission gab die NASA die Gesamtkosten des Hubble Weltraumteleskops mit 10 Milliarden Dollar bis dato an.

Hubble 2

Es gab immer wieder Vorschläge ein zweites Hubble zu bauen. Raumfahrtprojekte die so anspruchsvoll wie Hubble sind, sind deswegen so teuer weil die Entwicklungskosten für die Erarbeitung der Technologie so hoch sind. Die Baukosten sind dagegen moderat. So gab es nicht wenige Pläne Hubble nachzubauen. Das wird dadurch erleichtert das wesentliche Teile wie der Hauptspiegel doppelt gefertigt werden um ein Backup zu haben falls es bei dem Zusammenbau oder Start Probleme gibt. Die ersten Vorschläge gab es, als klar war das der Hauptspiegel falsch geschliffen war. Die NASA konnte jedoch mit dem Korrekturlinsen eine preiswertere Lösung umsetzen.

Richtige Forderungen nach einem zweiten Hubble gab es nach 2003, als die NASA nach dem Verlust der Weltraumfähre Columbia beschloss das alle zukünftigen Einsätze nur noch zur ISS führen sollte. Gäbe es eine Beschädigung der Fähren so kann die Besatzung an Bord der ISS verbleiben und mit Sojus-Raumschiffen zur Erde zurückkehren. Es zeigten sich schon Alterungserscheinungen bei den Gyros ohne die das Teleskop nicht mehr korrekt ausgerichtet werden konnte. In den 15 Jahren seit dem Bau hat sich die Technologie weiterentwickelt und  ein Nachbau in das man die eigentlich für eine weitere Servicemission vorgesehenen war. Nachdem es bei den folgenden Missionen keine Probleme gab, bewilligte die NASA jedoch noch eine Servicemission zum HST, das so mit den neuesten Instrumenten versorgt wurden. Auch Verschleißteile wurden ersetzt .

2015 feierte das Teleskop 25 Jahre im All. alle Systeme funktionieren noch und die NASA ist optimistisch es noch bis 2024/25 betrieben zu können. Dann wird es soweit abgesunken sein, dass es in der Erdatmosphäre verglüht,

Es gab schon immer die Diskussion ob der Kurs der Wartung so sinnvoll ist. Zwar konnte so das Weltraumteleskop laufend auf dem technischen Stand gehalten werden. Andererseits waren die Shuttlemissionen sehr kostspielig. Nimmt man 400 Millionen Dollar als Durchschnittskosten für die ersten Servicemissionen und 900 Millionen für die letzte an, rechnet noch 300 Millionen Dollar für Ersatzteile hinzu so kosteten diese Servicemissionen insgesamt 2800 Millionen Dollar. Ein Nachbau des beim Start (mit Instrumenten) 1,6 Milliarden Dollar teuren Teleskops wäre sicher deutlich für unter 1 Milliarde möglich, da die Instrumente wegfallen (sie wurden in obiger Rechnung auch nicht berücksichtigt). Bei einem Start auf einer Atlas V kämen dann noch rund 200 Millionen Dollar für Startkosten hinzu. So wurde auch argumentiert hätte man statt Hubble zu warten es zweimal nachbauen können. Da insgesamt nur 11 Experimente gefertigt wurden, wäre es sogar problematisch gewesen die beiden Nachbauten mit Experimenten auszustatten. Auf der anderen Seite waren selbst bei neuen Experimenten Reparaturen nötig, so bei NICMOS, STIS und ACS. Bei nachgebauten Hubbles ohne Wartung wären diese Experimente dann dauerhaft ausgefallen.

Die kosten für Hubble sind hoch, verglichen mit dem Erkenntnisgewinn und der langen Betriebszeit von jetzt schon 25 Jahren sind sie jedoch gerechtfertigt. Der Betrieb der ISS kostet in drei Jahren dieselbe Summe wie Hubbles Betrieb über 20 Jahre. Die Aufbaukosten der ISS liegen zehnmal so hoch die die Kosten des Hubble Space Teleskops. Bei den unbemannten Missionen bietet sich Cassini an, das bis zum Ende der Primärmission 3424 Millionen Dollar kostete. Danach kostete die Missionsverlängerung 180 Millionen Dollar für zwei Jahre. Dies wurde seitdem viermal wiederholt, macht Gehaltskosten von 4324 Millionen Dollar oder rund 40% der HST-Kosten.

Der wissenschaftliche Wert einer Mission wird oft (die Praxis ist umstritten, doch die Angabe hat sich durchgesetzt) in den veröffentlichten "Papers" also wissenschaftlichen artikeln gemessen. Auf Basis von Cassinis Daten wurden bis Ende 2016 3616 Papers publiziert. Beim HST waren es 7680, also in etwa die doppelte Menge. Analoges gilt für die Zahl der gemachten Bidler (349.000 zu 880.000). Das entspricht in etwa auch den Kosten (12.400 bzw. 11.400 Dollar pro Bild oder 1,95 bzw. 1.30 Mill. Dollar pro Paper). Im Vergleich dazu hat die etwa 14-mal teurere ISS nur 4.272 Paper hervorgebracht.

Der Nachfolger James Webb und das WFIRST

JWSTDas James Web Telescope (JWST) unterscheidet sich von Hubble in vielen Dingen. So ist es leichter, setzt trotzdem aber einen größeren Hauptspiegel ein. Es wird auch nicht die Erde umkreisen, sondern an dem Librationspunkt L2, 1,5 Millionen von der Erde entfernt auf der sonnenabgewandten Seite stationiert sein. Damit ist eine Wartung nicht möglich und auch nicht vorgesehen.

Der Orbit ist nötig weil das James Webb Telescope nicht im sichtbaren, sondern im Infraroten beobachten soll. Die Weiterentwicklung im Instrumentenbereich bedeutet, dass das HST in vielen Dingen nicht mehr einzigartig ist. Mit adaptiven Optiken erreichen auch Teleskope die nicht im Weltraum stationiert sind heute die Auflösung von Hubble, allerdings noch nicht bei Langzeitbelichtungen und bei sehr großen Arealen. Auch das Beobachtung über sehr lange Zeit, ohne eine Aufhellung des Himmelshintergrundes durch Streulicht ist noch nicht möglich. Im Infraroten Strahlungsbereich ist wegen der Eigenimmission von Teleskopen noch ein größerer abstand. Instrumente kann man heute soweit kühlen, dass sie sehr empfindlich sind, das geht noch nicht mit den ganzen Teleskopen, weshalb irdische Teleskope auf das an den sichtbaren Bereich angrenzende nahe infrarot beschränkt sind. Im mittleren Infrarot absorbiert auch die Atmosphäre, vor allem Spurengase Infrarotstrahlung. Zwischen 0,6 und 1,6 µm Wellenlänge haben sowohl das JWST wie auch das HST Instrumente, können sich also ergänzen.

Die adaptiven Optiken lassen vor allem es zu die Spiegel sehr viel leichter zu bauen, da sie nicht ihr Eigengewicht tragen müssen ohne durchzubiegen. So wird das James Webb Space Teleskope nur etwas mehr als die Hälfte des HST wiegen. Nur so ist es auch möglich es auf die Fluchtbahn zu schicken, die energetisch erheblich aufwendiger ist. Das Teleskop gelangt in den Lagrangepunkt L5, 1,5 Millionen km von der Erde in Richtung sonnenabgewandte Seite entfernt.

Dort ist es von der Erde aus nicht erreichbar und die Space Shuttles wanderten auch Jahre vor dem Start ins Museum. So ist beim JWST keine Wartung vorgesehen. Die Positionierung in einem der Librationspunkte, einer der fünf Stabilen Umlaufbahnen in einem System von zwei schweren und einem kleinen Körper (hier: Sonne, Erde und Teleskop) garantiert das das Teleskop auch weit weg von der Erde ist, die selbst Infrarotstrahlung aussendet. Beim HST spielte Infrarotastronomie bei der Konzeption keine Rolle. So wird der Hauptspiegel auf 21°C temperiert. Damit war der Einsatz von Instrumenten im infraroten Spektralbereich begrenzt. Das JWST wurde als IR-Teleskop entworfen zum einen einen, weil es im Weltraum möglich ist ein Teleskop stärker zu kühlen als auf der Erde. Das JWST hat keine Möglichkeit der regulativen Kühlung für das ganze Teleskop, aber durch einen Schutzschild der die Sonnen- und Erdstrahlung abschirmt wird es auf 50 K gekühlt, die Instrumente haben dann teilweise aktive Kühler die sie auf bis zu 15 K kühlen. Der zweite Grund, warum man ein Infrarotteleskop konzipierte ist dass durch adaptive Optik der Vorteil des HST bei den Aufnahmen heute nicht mehr gegeben ist. Es gibt aber schon erdgebundene Teleskope von 10 m Durchmesser und kurz nach dem Start des JWST werden welche mit 20 m Durchmesser und mehr in Betrieb gehen.

WFirstVergleichbarer mit dem HST ist das WFIRST. Das Wide-Field Infrared Survey Telescope hat denselben Durchmesser und hat auch viele Ähnlichkeiten in der Technologie mit Hubble. Das WFIRST besteht aus einem 2,40 m großen Teleskop, allerdings einer viel kleineren Brennweite als Hubble. Die Optik stammt von Spionagesatelliten für die die NRO keine Verwendung mehr hatte. Durch die kleinere Brennweite wird das Teleskopviel mehr des Himmels sehen - geplant ist eine Abdeckung von 1000 Quadratgrad mit einer Aufnahme - das entspricht einer Aufnahme mit 33 Grad im Quadrat, bei einer Fotokamera ist dies nur ein leichter Zoom (Normalbrennweite sind üblicherweise 50 bis 60 Grad). Die Instrumentenselektion des WFIRST ist 2015 noch nicht abgeschlossen, auch ob das Instrument kommt ist noch nicht sicher, es hat aber eine Vorabfinanzierung für 2014 und 2015. Die Aufgabe des WFIRST wird Es sein anders als das HST einen großen Teil des Himmels abbilden, eine Survey, also Erkundung durchführen. Empfindlich ist das WFIRST ab 0,43 Mikrometern Wellenlänge, die größte Sensitivität gibt es aber im Infraroten. Alleine das abbildende Instrument besteht aus 18 CCD-Chips, jeder 4096 x 4096 Pixel groß (16 MPixel). Dessen Auflösung beträgt 0,11 Bogensekunden. Es arbeitet zwischen 0,76 und 2,0 Mikrometern Wellenlänge. Dazu kommt ein Koronograph  Er deckt helle Quellen ab um schwache Quellen daneben abzubilden. Hier ist der Detektor nur 1 MPixel groß. das Bildfeld so 1,633 Bogensekunden. Dafür hat es eine Auflösung von 0,01 Bogensekunden.  Es bildet Quellen zwischen 0,43 und 0,97 Mikrometern Wellenlänge ab, ein angeschlossener Spektrograf macht zwischen 0,60 und 0,97 Mikrometern Wellenlänge ein Spektrum mit 80 Punkten

Geplant ist der Start des WFIRST in einen Lisajoursorbit. Dafür muss es deutlich leichter als das HST sein. Beim Start mit einer Delta 4 darf es z.B. nicht mehr als 6750 kg wiegen.

Geplant ist der Bau eines Exemplars. Die NRO hat der NASA zwei Teleskope übergeben.

Links:

http://asd.gsfc.nasa.gov/archive/hubble/a_pdf/news/facts/CoProcessor.pdf

http://asd.gsfc.nasa.gov/archive/hubble/a_pdf/news/SM3A-MediaGuide.pdf

https://www.nasa.gov/pdf/327688main_09_SM4_Media_Guide_rev1.pdf

https://asd.gsfc.nasa.gov/archive/hubble/a_pdf/news/SM2-MediaGuide.pdf

https://asd.gsfc.nasa.gov/archive/hubble/a_pdf/news/SM3A-MediaGuide.pdf

https://asd.gsfc.nasa.gov/archive/hubble/a_pdf/news/facts/COSTAR.pdf

https://asd.gsfc.nasa.gov/archive/hubble/a_pdf/news/facts/FS11.pdf

https://asd.gsfc.nasa.gov/archive/hubble/a_pdf/news/facts/FS12.pdf

https://asd.gsfc.nasa.gov/archive/hubble/a_pdf/news/facts/FS13.pdf

https://asd.gsfc.nasa.gov/archive/hubble/a_pdf/news/facts/FS14.pdf

https://asd.gsfc.nasa.gov/archive/hubble/a_pdf/news/facts/FS15.pdf

https://asd.gsfc.nasa.gov/archive/hubble/a_pdf/news/facts/FS17.pdf

https://asd.gsfc.nasa.gov/archive/hubble/a_pdf/news/facts/sm3b/fact_sheet_reboost.pdf

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

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