Ingenieure führen nach dem Abflug aus Großbritannien eine „Abnahme“ des Mittelinfrarot-Instruments des James Webb-Weltraumteleskops im Goddard Space Flight Center der NASA durch.
Die JPL-Flugtechniker Johnny Melendez (rechts) und Joe Mora inspizieren den MIRI-Kryokühler, bevor sie ihn an Northrop Grumman in Redondo Beach, Kalifornien, versenden. Dort wird der Kühler am Körper des Webb-Teleskops befestigt.
Dieser Teil des MIRI-Instruments, der im Appleton Laboratory in Rutherford, Großbritannien, zu sehen ist, enthält Infrarotdetektoren. Der Kryokühler befindet sich entfernt vom Detektor, da er bei einer höheren Temperatur arbeitet. Ein Rohr mit kaltem Helium verbindet die beiden Abschnitte.
MIRI (links) sitzt auf einem Schwebebalken bei Northrop Grumman in Redondo Beach, während Ingenieure sich darauf vorbereiten, ihn mit einem Laufkran am Integrated Scientific Instrument Module (ISIM) zu befestigen. Das ISIM ist Webbs Herzstück, die vier wissenschaftlichen Instrumente, in denen das Teleskop untergebracht ist.
Bevor das MIRI-Instrument – ​​eines der vier wissenschaftlichen Instrumente des Observatoriums – arbeiten kann, muss es auf nahezu die kälteste Temperatur abgekühlt werden, die Materie erreichen kann.
Das James-Webb-Weltraumteleskop der NASA, dessen Start für den 24. Dezember geplant ist, ist das größte Weltraumobservatorium der Geschichte und hat eine ebenso gewaltige Aufgabe: Infrarotlicht aus entlegenen Winkeln des Universums zu sammeln und es Wissenschaftlern zu ermöglichen, die Struktur und den Ursprung des Universums zu erforschen. Unser Universum und unser Platz darin.
Viele kosmische Objekte – darunter Sterne und Planeten sowie das Gas und der Staub, aus denen sie entstehen – emittieren Infrarotlicht, manchmal auch Wärmestrahlung genannt. Aber das gilt auch für die meisten anderen warmen Objekte, wie Toaster, Menschen und elektronische Geräte. Das bedeutet, dass die vier Infrarotinstrumente von Webb ihr eigenes Infrarotlicht erkennen können. Um diese Emissionen zu reduzieren, muss das Instrument sehr kalt sein – etwa 40 Kelvin oder minus 388 Grad Fahrenheit (minus 233 Grad Celsius). RI, muss kälter werden: unter 7 Kelvin (minus 448 Grad Fahrenheit oder minus 266 Grad Celsius).
Das sind nur wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt (0 Kelvin) – die kälteste Temperatur, die theoretisch möglich ist, obwohl sie physisch nie erreichbar ist, da sie das völlige Fehlen jeglicher Wärme bedeutet. (MIRI ist jedoch nicht das kälteste Bildgebungsinstrument im Weltraum.)
Die Temperatur ist im Wesentlichen ein Maß dafür, wie schnell sich Atome bewegen, und Webb-Detektoren erfassen nicht nur ihr eigenes Infrarotlicht, sondern können auch durch ihre eigenen thermischen Schwingungen ausgelöst werden. MIRI erkennt Licht in einem niedrigeren Energiebereich als die anderen drei Instrumente. Daher reagieren seine Detektoren empfindlicher auf thermische Schwingungen. Diese unerwünschten Signale werden von Astronomen als „Rauschen“ bezeichnet und können die schwachen Signale, die Webb zu erkennen versucht, übertönen.
Nach dem Start wird Webb ein Visier in der Größe eines Tennisplatzes einsetzen, das MIRI und andere Instrumente vor der Sonnenhitze schützt und ihnen eine passive Kühlung ermöglicht. Ungefähr 77 Tage nach dem Start wird der Kryokühler von MIRI 19 Tage benötigen, um die Temperatur der Detektoren des Instruments auf unter 7 Kelvin zu senken.
„Es ist relativ einfach, Dinge auf der Erde auf diese Temperatur abzukühlen, oft für wissenschaftliche oder industrielle Anwendungen“, sagte Konstantin Penanen, Experte für Kryokühler am Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien., das das MIRI-Instrument für die NASA verwaltet. „Aber diese erdbasierten Systeme sind sehr sperrig und energieineffizient.Für ein Weltraumobservatorium benötigen wir einen Kühler, der physikalisch kompakt und energieeffizient ist und äußerst zuverlässig sein muss, da wir ihn nicht reparieren können.Das sind also die Herausforderungen, vor denen wir stehen.In dieser Hinsicht würde ich sagen, dass MIRI-Kryokühler definitiv an vorderster Front stehen.“
Eines von Webbs wissenschaftlichen Zielen besteht darin, die Eigenschaften der ersten Sterne zu untersuchen, die im Universum entstanden sind. Webbs Nahinfrarotkamera oder das NIRCam-Instrument wird in der Lage sein, diese extrem weit entfernten Objekte zu erkennen, und MIRI wird Wissenschaftlern dabei helfen, zu bestätigen, dass es sich bei diesen schwachen Lichtquellen um Sternhaufen der ersten Generation handelt und nicht um Sterne der zweiten Generation, die sich später in einer Galaxienentwicklung gebildet haben.
Durch die Untersuchung von Staubwolken, die dicker sind als Instrumente im nahen Infrarotbereich, wird MIRI die Geburtsorte von Sternen aufdecken. Darüber hinaus werden Moleküle, die häufig auf der Erde zu finden sind – wie Wasser, Kohlendioxid und Methan, sowie Moleküle von Gesteinsmineralien wie Silikaten – in der kühlen Umgebung um nahegelegene Sterne, wo sich Planeten bilden können, entdeckt. Instrumente im nahen Infrarot können diese Moleküle besser als Dämpfe in heißeren Umgebungen erkennen, während MIRI sie als Eis erkennen kann.
„Durch die Kombination von US-amerikanischem und europäischem Fachwissen haben wir MIRI als die Kraft von Webb entwickelt, die es Astronomen aus der ganzen Welt ermöglichen wird, große Fragen darüber zu beantworten, wie Sterne, Planeten und Galaxien entstehen und sich entwickeln“, sagte Gillian Wright, Co-Leiterin des MIRI-Wissenschaftsteams und europäische Hauptforscherin für das Instrument am UK Astronomical Technology Centre (UK ATC).
Der MIRI-Kryokühler verwendet Heliumgas – genug, um etwa neun Partyballons zu füllen –, um die Wärme von den Detektoren des Instruments abzuleiten. Zwei elektrische Kompressoren pumpen Helium durch ein Rohr, das bis zur Position des Detektors reicht. Das Rohr verläuft durch einen Metallblock, der ebenfalls am Detektor befestigt ist;Das abgekühlte Helium absorbiert überschüssige Wärme aus dem Block und hält die Betriebstemperatur des Detektors unter 7 Kelvin. Das erhitzte (aber immer noch kalte) Gas kehrt dann zum Kompressor zurück, wo es die überschüssige Wärme abgibt, und der Zyklus beginnt von neuem. Im Grunde ähnelt das System dem, das in Haushaltskühlschränken und Klimaanlagen verwendet wird.
Die Rohre, die Helium transportieren, bestehen aus vergoldetem Edelstahl und haben einen Durchmesser von weniger als einem Zehntel Zoll (2,5 mm). Sie erstrecken sich etwa 30 Fuß (10 Meter) vom Kompressor im Busbereich des Raumfahrzeugs bis zum MIRI-Detektor im optischen Teleskopelement, das sich hinter dem Waben-Primärspiegel des Observatoriums befindet verstautes Observatorium in den Schutz oben auf der Rakete. Sobald der Turm im Weltraum ist, wird er ausgefahren, um den Raumtemperatur-Raumfahrzeugbus von den kühleren Instrumenten des optischen Teleskops zu trennen und die vollständige Entfaltung des Sonnenschutzes und des Teleskops zu ermöglichen.
Diese Animation zeigt die ideale Umsetzung des James-Webb-Weltraumteleskops Stunden und Tage nach dem Start. Durch die Erweiterung der zentralen ausfahrbaren Turmbaugruppe wird der Abstand zwischen den beiden Teilen des MIRI vergrößert. Sie sind durch spiralförmige Röhren mit gekühltem Helium verbunden.
Der Dehnungsprozess erfordert jedoch, dass die Heliumröhre mit der erweiterbaren Turmbaugruppe verlängert wird. Die Röhre windet sich also wie eine Feder, weshalb die MIRI-Ingenieure diesen Teil der Röhre „Slinky“ nannten.
„Die Arbeit an einem System, das mehrere Regionen des Observatoriums umfasst, bringt einige Herausforderungen mit sich“, sagte Analyn Schneider, JPL MIRI-Programmmanagerin.„Diese verschiedenen Regionen werden von verschiedenen Organisationen oder Zentren geleitet, darunter Northrop Grumman und das Goddard Space Flight Center der US-amerikanischen NASA. Wir müssen mit allen sprechen.“Es gibt keine andere Hardware am Teleskop, die dies tun muss, daher ist es eine einzigartige Herausforderung für MIRI.Es war auf jeden Fall eine lange Warteschlange für MIRI-Kryokühler, und wir sind bereit, es im Weltraum zu sehen.“
Das James Webb-Weltraumteleskop wird 2021 als weltweit führendes Observatorium für Weltraumwissenschaften in Betrieb genommen. Webb wird die Geheimnisse unseres Sonnensystems lüften, in ferne Welten um andere Sterne blicken und die mysteriösen Strukturen und Ursprünge unseres Universums und unseres Ortes erforschen. Webb ist eine internationale Initiative unter der Leitung der NASA und ihrer Partner ESA (Europäische Weltraumorganisation) und der Canadian Space Agency.
MIRI wurde im Rahmen einer 50:50-Partnerschaft zwischen der NASA und der ESA (Europäische Weltraumorganisation) entwickelt. Das JPL leitet die US-Bemühungen für MIRI, und ein multinationales Konsortium europäischer astronomischer Institute leistet einen Beitrag zur ESA. George Rieke von der University of Arizona ist der Leiter des US-Wissenschaftsteams von MIRI. Gillian Wright ist die Leiterin des europäischen Wissenschaftsteams von MIRI.
Alistair Glasse vom ATC in Großbritannien ist MIRI-Instrumentenwissenschaftler und Michael Ressler ist US-Projektwissenschaftler am JPL. Laszlo Tamas vom britischen ATC ist für die Europäische Union verantwortlich. Die Entwicklung des MIRI-Kryokühlers wurde vom JPL in Zusammenarbeit mit dem Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, und Northrop Grumman in Redondo Beach, Kalifornien, geleitet und verwaltet.