Hubble 30 Jahre Hubble: Weltraumteleskop fängt Schönheit des Universums ein

Mit einer Reisegeschwindigkeit von 28.800 Stundenkilometern umkreist das Hubble Weltraumteleskop 15 Mal am Tag die Erde. Immer auf der Suche nach Schwarzen Löchern, fernen Galaxien und fremden Planeten und das seit mittlerweile 30 Jahren.

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Die US-Raumfähre Discovery setzte das Hubble Weltraumteleskop HST (Hubble Space Telescope) im April 1990, einen Tag nach dem Start von Cape Canaveral, in 600 Kilometer Höhe im Orbit aus. Damit liegt Hubble rund 30 % höher als heute die Internationale Raumstation ISS ihre Runden zieht.

Seitdem hat Hubble mit über 1,4 Millionen Observationen die Sicht von Fachwelt und Öffentlichkeit auf das Universum revolutioniert.

Astronomen konnten mit Hilfe der von Hubble gesendeten Daten zentrale Fragen der Astronomie beantworten. Die Schönheit seiner frei verfügbaren, mystischen Bilder weckte weltweit die Begeisterung der Menschheit für die Geheimnisse des Alls. Dazu trug auch der parallel zu seiner Mission einsetzende Siegeszug des Internets bei, das mit immer neuen spektakulären Aufnahmen den Kultstatus von Hubble forcierte.

150 Terabyte spektakuläre Daten bis heute

30 Jahre nach dem Start gilt das Hubble Space Telescope als eine der produktivsten und zugleich erfolgreichsten astronomischen Missionen überhaupt: 150 Terabyte Daten hat es bis heute geliefert, jedes Jahr kommen weitere zehn Terabyte hinzu. Sie haben das Wissen über Vorgänge und Zusammenhänge des Universums grundlegend verändert und zu bahnbrechenden Erkenntnissen geführt: So konnte mit ihrer Hilfe beispielsweise das Alter des Universums auf 13,7 Milliarden Jahre bestimmt werden, sie lieferten wertvolle Hinweise zur Dunklen Materie und Dunklen Energie, trugen zur Bestätigung der seit dem Urknall zunehmend beschleunigten Ausdehnung des Universums bei, zeigten die ersten Galaxien nach dem Urknall und sogenannte Exoplaneten, die außerhalb des Sonnensystems andere Sterne umkreisen.

Deep-Field-Aufnahmen durch wochenlange Langzeitbelichtungen

Hubble dokumentierte Entstehung, Leben und Sterben von Sternen und schuf mit wochenlangen Langzeitbelichtungen die berühmten Deep Field-Aufnahmen. Diese Meilensteine der Astronomie zeigen Tausende Galaxien in einem kleinen Himmelsausschnitt.

Seine Aufnahmen von planetarischen Nebeln sind auch sehr berühmt. Eines der bekanntesten Bilder zeigt die Säulen der Schöpfung, säulenartige Formationen aus Staub und Wasserstoff im Adlernebel. Möglich macht diese enorme Bandbreite der Beobachtungen das ebenso präzise wie vielseitige Frequenzspektrum von Hubble: So liefert der Späher trotz seiner Reisegeschwindigkeit von 28.800 Stundenkilometern gestochen scharfe Bilder aus dem Infrarotbereich, dem sichtbaren Licht und dem Ultraviolettbereich.

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Objekte in Glühwürmchen-Größe aus 10.000 km Entfernung beobachten

Im Vergleich zu erdgebundenen Teleskopen ist die zylinderförmige Konstruktion von Hubble eher klein. Er hat eine Gesamtlänge von 13 m und einen Durchmesser von 4,3 m.

Herzstück ist ein extrem scharfsichtiges und präzises 6,4 m langes Spiegelteleskop mit einem Hauptspiegel, dessen Durchmesser 2,4 Meter beträgt. Auf ihn trifft das Licht aus den Tiefen des Weltalls durch eine Öffnung an Hubbles Stirnseite. Dieser konkav gewölbte Primärspiegel wirft es auf den gegenüberliegenden Sekundärspiegel, der es wiederum durch die zentrale 60 cm große Mittenöffnung des Hauptspiegels auf die Brennebene reflektiert, wo die optischen Daten verarbeitet werden. So kann Hubble mit einer Auflösung von 0,05 Bogensekunden Objekte in der Größe eines Glühwürmchens in mehr als 10.000 km Entfernung beobachten und im Bild festhalten. Für den sichtbaren Bereich ist das zehn Mal höher als bei erdbasierten Teleskopen, im ultravioletten Bereich sogar 100 Mal besser.

Hubble mit anfänglichem Knick in der Optik

Das war nicht immer so, denn Hubble wurde durch einen Kalibrierfehler mit einer angeborenen Sehschwäche im All ausgesetzt: Die Kanten des Hauptspiegels waren 4 µm zu flach abgeschliffen und bewirkten, dass das Licht nicht in der notwendigen Fokussierung auf die Brennebene traf. Die zur Erde gesendeten Bilder waren folglich unscharf.

Abhilfe schaffte drei Jahre nach seinem Dienstbeginn eine "Brille": Im Rahmen der ersten Reparaturmission eines Space Shuttles installierten die Astronauten der Raumfähre Endeavour das COSTAR-Korrektursystem (Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement).

Technik kurz erklärt

Die Entwicklung des Space Shuttles

Nichtrostende Chrom-Nickel-Stähle im Weltall bewährt

In ihren fünf Außeneinsätzen bei dieser Mission führten die Astronauten auch Arbeiten an den Solarpaneelen durch. Diese sind flügelartig an beiden Seiten von Hubble angebracht und liefern die benötigte Energie für Instrumente, Ausrichtung und Datenübertragung.

Zudem laden die je 2,30 x 11,80 Meter großen Elemente die Batterien auf, die Hubble während der Reisezeit auf der Nachtseite der Erde mit Strom versorgen. Für den Transport in den niedrigen Orbit wurden sie zwischen Tank und Ladebucht des Space Shuttles platziert - aufgerollt in einer zylinderförmigen Schutzhülle mit nur 39 cm Durchmesser. Möglich machte dies eine Konstruktion aus einer mit 15 flexiblen Solarzellen - drei Reihen à fünf Zellen - beschichteten Mehrschichtfolie. Im Weltraum angekommen, wurde die beiden aufgerollten Kollektorfelder von einem nur 2,2 cm großen Motor aus Edelstahl Rostfrei aus ihrer Schutzhülle gezogen und in einen Stützrahmen aus Edelstahlrohren gespannt.

Technik kurz erklärt

Die Entwicklung des Hubble Teleskops

In zahlreichen Einsätzen haben sich nichtrostende Chrom-Nickel-Stähle im Weltall bewährt, da sie den dort herrschenden extremen Temperaturunterschieden besonders gut gewachsen sind. Zudem können bei gleicher Temperaturbeständigkeit und Tragfähigkeit der Komponenten deutlich dünnere Bleche als bei Alternativmaterialien verwendet werden.

Solarpaneele enormen Temperaturschwankungen ausgesetzt

Hubbles Solarpaneele sind in der rauen Umgebung des Weltalls während der 97 min dauernden Umlaufbahn enormen Temperaturschwankungen ausgesetzt. Alle 96 min geht die Sonne auf und wieder unter, sodass die Kollektoren 16 Mal am Tag Temperaturwechsel von +100° C in der Sonne zu -100° C im Schatten aushalten müssen. Das Material der ersten Sonnensegel dehnte sich beim Wechsel auf die Sonnenseite der Erde regelmäßig aus. Mit fehlerhaften Kompensatoren wurde nicht wie geplant ausgeglichen. Die Rahmenkonstruktion bestand aus dünnen Edelstahlbändern, die zu kreisförmigen Querschnitten geformt und abgeflacht wurden. Ihre offenen Nähte waren so ineinandergesteckt, dass eine röhrenförmige Struktur entstand.

Verformte Solarpaneele führte zu unkontrollierten Zuckungen

Durch einen Konstruktionsfehler und die gleichzeitige Exposition gegenüber direkter und indirekter Sonneneinstrahlung dehnten sich die beiden Rohrelemente unterschiedlich stark aus. Dieses Zusammenspiel von unkontrollierten Expansionen und Kontraktionen verformte die Solarpaneele jedes Mal derart, dass sekundenlange Zuckungen das gesamte Teleskop erschütterten. Mit dem Austausch der flexiblen Solarflügel gegen eine neue, steife Version lösten die Astronauten der Endeavour auch dieses Problem.

Austenitischer Edelstahl Rostfrei für Gehäuse, Muttern & Co.

Überall dort, wo besondere Anforderungen an Verbindungen gefordert sind, kamen an Hubble tausende Befestigungselemente aus austenitischem Edelstahl Rostfrei der Güte 1.4980 zum Einsatz. Vortiele dieses Werkstoffs:

• benötigt keine Beschichtung

• hält hohen Temperaturen und

• hohen Belastungen dauerhaft stand

Die Eisen-Nickel-Chrom-Legierung mit Molybdän- und Titanzusatz besitzt eine hohe Warmfestigkeit, gute Verarbeitungseigenschaften sowie Temperaturbeständigkeit bis 700°C aus. Gepaart mit der hohen Duktilität war dieser Werkstoff insbesondere für vorgespannte Verbindungen mit Muttern, Halterungen, Gehäusen, Montageplatten oder Distanzscheiben unverzichtbar.

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Schützende Haut aus Edelstahl

Für die spektakulären Aufnahmen richtet sich Hubble auf einen Leitstern. Dabei übernehmen jeweils drei Sensoren (Fine Guidance Sensors, FGS) mit einer Genauigkeit von 0,01 Bogensekunden die Feinjustierung. Dafür messen sie die Position des Teleskops relativ zum Leitstern und fixieren dafür den Stern im Zentrum ihres Blickfeldes. Wandert der Stern aus diesem Zentrum heraus, justieren die FGS Hubble entsprechend neu.

Die Kugellager dieser für die Feinsteuerung verantwortlichen Sensoren werden aus Edelstahl Rostfrei der Güte 1.4125 (440C) gefertigt. Dieser martensitische nichtrostende Edelstahl hat einen hochfesten Kern. Durch Induktionshärten werden auch die Oberflächenschichten gehärtet, sodass der Edelstahl durch optimierte Abrieb- und Ermüdungsfestigkeit sogar bei extremer Kälte die geforderte Zuverlässigkeit der Lager gewährleistet.

Um die empfindlichen Instrumente im Inneren des fliegenden Observatoriums vor der sehr hohen thermischen Belastung durch schnelle und radikale Temperaturwechsel zu schützen, ist die gesamte Oberfläche von Hubble mit einer Mehrschichtisolierung verkleidet.

Bei einer Inspektion im Rahmen der zweiten Space Shuttle-Servicemission zeigte sich 1997, dass die oberste Schicht aus metallisch bedampftem Teflon diesen Herausforderungen nicht standgehalten hatte. An vielen Stellen war sie brüchig geworden und erste Risse waren bereits entstanden. Notdürftig flickten die Astronauten der Discovery die defekten Stellen mit Reservematerial, das eigentlich für die Solarflügel vorgesehen war.

Paneele mit spezieller Schutzschicht aus Edelstahlfolie

Zwei Jahre später kamen - wiederum mit der Discovery - Astronauten zur nächsten Servicemission. Im Gepäck hatte das Space Shuttle drei Paneele mit einer neuentwickelten Schutzschicht aus einer speziell beschichteten NOBL (New Outer Blanket Layer) genannten Edelstahlfolie, die in einem Edelstahlrahmen fixiert war.

Die Weltraumtauglichkeit dieser Folie war zuvor auf mindestens zehnjährige Beständigkeit gegenüber Temperaturschwankungen, Strahlungen und Beschädigung durch Partikel von orbitalen Trümmern oder durch Mikrometeoriten getestet worden. In mehreren Außeneinsätzen wurden die Edelstahlpaneele von den Astronauten exakt an die Form der jeweiligen Gerätebucht angepasst und anschließend auf die vorhandene defekte Isolierung montiert. In den beiden folgenden Space Shuttle-Reparaturmissionen 2002 und 2009 erhielten vier weitere Buchten diese Isolierungen aus Edelstahl Rostfrei.

Hubble verliert jährlich 1,5 km an Höhe

2009 erhielt Hubble das letzte Mal Besuch von der Erde. Seitdem ist es auf sich allein angewiesen. Dennoch sendet die fliegende Legende unverdrossen große Datenmengen zur Erde und lässt die Astronomen so an immer neuen Entdeckungen teilhaben. So entdeckte Hubble zu Beginn seines Jubiläumsjahres mit der Godzilla-Galaxie (offizieller Name UGC 2885) eine riesige Galaxie, die zweieinhalb Mal so breit ist wie die Milchstraße und zehnmal so viele Sterne hat.

Das Ende der Hubble-Ära ist allerdings absehbar. Jedes Jahr verliert das im Orbit kreisende Weltraumteleskop 1,5 km an Höhe, irgendwann wird es sich der Schwerkraft nicht mehr entziehen können. Die NASA hat dann die Wahl, es mit einer unbemannten Sonde gezielt über einer unbewohnten Region zum Absturz zu bringen oder es anzuheben und als künstlichen Trabanten weiterhin die Erde umrunden zu lassen.

Nachfolger von Hubble steht in Startlöchern

Mit dem James Webb Space Telescope (JWST) steht der Nachfolger theoretisch schon lange in den Startlöchern, seine faktische Reise ins All verzögerte sich jedoch immer wieder. Nach offiziellen Angaben soll dieses deutlich größere Weltraumteleskop nun voraussichtlich März 2021 zu seiner Mission aufbrechen. In Bandbreite des Frequenzspektrums und Missionsdauer bleibt Hubble dennoch ein unerreichtes Synonym für bahnbrechende Weltraumforschung.

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