Während das europäische Weltraumteleskop Herschel seine Arbeit gerade beendet, wird unter russischer Führung in internationaler Kooperation am Projekt Spektr-M/Millimetron gearbeitet. Es wird in den 2020ern den kombinierten Nachfolger des Infrarotteleskops Herschel und des Radio-Interferometers Spektr-R/RadioAstron darstellen. Mitte April fand im niederländischen Groningen eine Planungskonferenz statt, auf der über den aktuellen Projektstatus berichtet wurde.
Ein Beitrag von Stefan Heykes. Quelle: SRON. Vertont von Peter Rittinger.
(Bild: SRON)
Die ersten Ideen zu einem Weltraumteleskop für fernes Infrarotlicht und Submillimeter/Millimeterwellen gehen in Russland bereits auf die 1970er zurück. Der Bau eines solchen Systems war zu jener Zeit aber noch völlig unmöglich. Erst seit einigen Jahren wird das Konzept wieder verfolgt. Millimetron soll einen Hauptspiegel von 10 m Durchmesser erhalten und wäre dann das größte Weltraumteleskop der Welt. Bislang hält Herschel mit 3,5 m den Rekord im optischen Bereich, ab 2018 soll das James Webb Space Teleskope (JWST) mit 6,5-m-Hauptspiegel im Einsatz sein.
Millimetron soll im wesentlichen zwei Betriebsmodi erhalten. Zum einen soll es als Ferninfrarot-Teleskop im Einzelbetrieb wie ein klassisches Weltraumteleskop eingesetzt werden. Die Instrumente für diesen Modus basieren im Wesentlichen auf denen von Herschel. Mit seinem etwa dreimal so großen Spiegel wird Millimetron jedoch rund zehnmal empfindlicher sein und die dreifache Auflösung von Herschel bieten.
Im zweiten Betriebsmodus soll Millimetron als Interferometer in Zusammenarbeit mit Bodenteleskopen betrieben werden. Die Technik dafür basiert auf dem derzeit im Einsatz befindlichen Projekt RadioAstron. Während dieses mit Wellenlängen von 1,35 cm bis 92 cm arbeitet, soll Millimetron bei 0,3 mm bis 17 mm Wellenlänge arbeiten. Die kürzeren Wellenlängen erfordern dabei die Zusammenarbeit mit speziellen Submillimeter/Millimeter-Teleskopen wie zum Beispiel ALMA oder dem geplanten Event Horizon Telescope. Für die kurzen Wellenlängen dienen die Empfänger der ALMA-Antennen auch als Vorbild für die Technik von Millimetron.
Nicht nur bei den Instrumenten, sondern auch bei der Umlaufbahn basiert Millimetron auf Herschel. Wie dieses auch, soll Millimetron um den Sonne-Erde-L2 kreisen. Dieser Punkt liegt von der Sonne aus gesehen rund 1,5 Mio Kilometer hinter der Erde. Hier gibt es praktisch keine Störeinflüsse mehr von der Erde, daher entwickelt sich dieser Punkt mehr und mehr zum Sammelpunkt für Weltraumteleskope. Während Herschel und Planck ihre Mission dort beendet haben, werden in den nächsten Jahren auch GAIA, Spektr-RG oder auch das JWST in einen solchen Orbit einschwenken.
Diese große Entfernung zur Erde erlaubt es im Interferometer-Betrieb zudem, bislang unerreichte Winkelauflösungen zu ermöglichen. Während RadioAstron bei bis zu 350.000 km Basislänge für die kürzeste Wellenlänge auf etwa 7 Mikrobogensekunden kommt, könnte Millimetron dank größerem Abstand und kürzerer Wellenlänge auf bis zu 40 Nanobogensekunden kommen. Submillimeter-Interferometer auf der Erde wie das Event Horizon Telescope hingegen kommen nur auf etwa 20 Mikrobogensekunden. Die um Größenordnungen höhere Auflösung bietet damit das Potential für vollkommen unerwartete Entdeckungen.
Infrarotteleskope haben ein großes Problem: Um vernünftig zu funktionieren, müssen sie auf tiefe Temperaturen herab gekühlt werden. Ansonsten wäre die thermische Strahlung des Systems selbst eine massive Störquelle und würde Beobachtungen mehr oder weniger unmöglich machen. Jedes Infrarotteleskop benötigt daher eine Kühlung. Für nahes Infrarot reicht eine passive Kühlung durch einen Hitzeschild sehr gut aus, aber für fernes Infrarot reicht das nicht mehr. Systeme wie Herschel wurden daher mithilfe eines Kryostaten gekühlt. Das heißt, sie hatten mehrere Tausend Liter flüssiges Helium an Bord, das nach und nach verdampft und dadurch das System kühlt.
Dies ist aber sowohl eine schwere Lösung als auch eine, die die Lebensdauer stark begrenzt. So war Herschel nur knapp 4 Jahre im Einsatz. Daher soll Millimetron eine neuartige Kühlung erhalten. Zunächst wird der ganze Spiegel von 4 Lagen Hitzeschutzfolie umgeben, die als passive Kühlung wirken. Dazu kommt noch eine aktiv gekühlte Lage, außerdem werden alle Instrumente ebenfalls aktiv gekühlt. Dadurch kann das Teleskop selbst auf eine Temperatur von 4,5 K (-268,5 °C) gebracht werden, einige Instrumente werden sogar auf 1,7 K herunter gekühlt. Die abgeführte Wärme wird dann über Radiatoren abgestrahlt. Dieses System wird nur eine Menge von 10-20 Liter Helium als Kühlmittel brauchen, aber kann damit 3-5 Jahre aktiv gekühlt werden.
Insgesamt soll Millimetron eine Lebensdauer von 10 Jahren besitzen. Wenn die aktive Kühlung versagt, wird auch die passive Kühlung noch weiter wissenschaftliche Beobachtungen erlauben. Allerdings werden diese dann nicht mehr die Qualität der ersten Jahre erreichen können. Die Entwicklung der aktiven Kühlung stellt eine große Herausforderung dar, da sie erstmals verwendet werden soll für ein so großes System.
(Bild: SRON)
Eine weitere Herausforderung stellt die Konstruktion des Spiegels dar. Der Grundentwurf sieht vor, dass ein zentraler Spiegel von 3 Metern Durchmesser und einer Oberflächengenauigkeit von unter 5 Mikrometern von 24 „Blütenblättern“ umgeben werden soll, durch die sich ein 10 m durchmessender Spiegel mit einer Genauigkeit von unter 10 Mikrometern ergeben soll. Dieser Grundentwurf ist nahezu identisch mit dem der Antenne von RadioAstron (da waren es 27 „Blütenblätter“) und hat sich dort bereits bewährt. Der Spiegel wird sich im Weltraum dann wie eine Blüte entfalten.
Das große Problem bei der Entwicklung dieses Spiegels ist aber die Masse des Systems. Mit einer CFK-Struktur wie bei RadioAstron lässt sich die für Millimetron benötigte Genauigkeit bei tiefen Operationstemperaturen nicht erreichen. Daher musste zunächst einiges an grundlegender Materialforschung betrieben werden. Derzeit scheint sich jedoch eine Kombination auf Kohlefaser, Cyanatester und einer Quartzmatrix als geeignetes Material herauszukristallisieren. Erste Testpanele wurden bereits erstellt und vermessen.
Wenn die Entwicklung optimal verlaufen sollte, wäre ein Start bereits 2019 möglich. Es wird jedoch von offizieller Seite der ganze Zeitraum von 2019-2022 als mögliches Startfenster genannt. Noch ist es angesichts offener Entwicklungsrisiken, vor allem bei Spiegel und Kühlung, aber nicht möglich, ein wirklich zuverlässiges Datum zu nennen. Dies wird sich erst in den nächsten Jahren ergeben. Als Rakete für den bis zu 6.600 kg schweren Satelliten ist eine Proton oder Angara vorgesehen.
Wissenschaftliche Ziele
Millimetron soll für eine ganze Reihe von Forschungszielen neue Erkenntnisse liefern. So soll Millimetron zum Beispiel die Untersuchung des interstellaren Mediums mit bislang unerreichter Sensitivität, räumlicher und spektraler Auflösung durchführen. Das gleiche gilt auch für Sternentstehungsgebiete und andere Gaswolken im Universum. Auch bei der Erforschung von Exoplaneten wird Millimetron nützlich sein, da es die Möglichkeit bietet, viele Exoplaneten-Atmosphären direkt spektrografisch zu untersuchen. Damit lässt sich herausfinden, welche Gase in diesen Atmosphären vorkommen. Bei günstigen Zielen könnte es damit sogar möglich sein, Leben nachzuweisen.
Millimetron wird als Interferometer auch zuvor unmögliche Untersuchungen erlauben. So könnte es zum Beispiel verwendet werden, um die Größe supermassiver schwarzer Löcher zu bestimmen. Sowohl RadioAstron als auch das Event Horizon Telescope können bestenfalls den Ereignishorizont nachweisen, aber nicht strukturiert auflösen. Die Erforschung des Kernbereichs aktiver Galaxienkerne wird damit nochmals einen deutlichen Schub erhalten.
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