Eines der bemerkenswertesten Observatorien der Welt arbeitet nicht auf einem Berggipfel, nicht im Weltraum, sondern auf einer Boeing 747 in einer Höhe von 45.000 Fuß. Nick Howes sah sich bei seiner ersten Landung in Europa in diesem einzigartigen Verkehrsflugzeug um.
SOFIA (Stratosphärisches Observatorium für Infrarotastronomie) entstand aus einer Idee, die erstmals Mitte der 1980er Jahre diskutiert wurde. Stellen Sie sich vor, Wissenschaftler würden mit einer Boeing 747 ein großes Teleskop in die Stratosphäre befördern, wo die Absorption von Infrarotlicht durch atmosphärische Wassermoleküle selbst im Vergleich zu den höchsten bodengestützten Observatorien drastisch reduziert wird. Bis 1996 war diese Idee der Realität einen Schritt näher gekommen, als das SOFIA-Projekt formell zwischen der NASA (die 80 Prozent der Kosten der 330-Millionen-Dollar-Mission finanziert, ein Betrag, der mit einer einzigen bescheidenen Weltraummission vergleichbar ist) und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt vereinbart wurde (DLR, die die anderen 20 Prozent finanzieren). Forschung und Entwicklung begannen ernsthaft mit einer hochmodifizierten Boeing 747SP, die nach dem berühmten amerikanischen Piloten "Clipper Lindburgh" genannt wurde und bei der "SP" für "Special Performance" steht.
Erste Testflüge wurden 2007 geflogen, wobei SOFIA vom Dryden Flight Research Center der NASA auf der Edwards Airforce Base im Rogers Dry Lake in Kalifornien aus operierte - einem schönen, trockenen Ort, der bei der Instrumentierung und dem Betrieb von Flugzeugen hilft.
Als das Flugzeug das Astronautentrainingszentrum der Europäischen Weltraumorganisation in Köln besuchte, hatte ich die seltene Gelegenheit, mich im Rahmen eines Tweetups (eines Twitter-Treffens) im Europäischen Weltraum umzusehen. Was sofort auffiel, war die kürzere Länge des Flugzeugs als die, mit der Sie normalerweise fliegen, wodurch das Flugzeug länger in der Luft bleiben kann. Dies ist ein entscheidender Aspekt für seinen wichtigsten Passagier, das 2,7-Meter-SOFIA-Teleskop. Der Primärspiegel in Hubble-Weltraumteleskopgröße ist aluminiumbeschichtet und reflektiert das Licht auf einen 0,4-Meter-Sekundärspiegel, alles in einem offenen Käfigrahmen, der buchstäblich aus der Seite des Flugzeugs herausragt.
Wie wir gesehen haben, besteht der Grund für die Platzierung eines Mehrtonnen-Teleskops in einem Flugzeug darin, dass auf diese Weise die meisten Absorptionseffekte unserer Atmosphäre vermieden werden können. Beobachtungen im Infrarotbereich sind für bodengestützte Instrumente auf oder in der Nähe des Meeresspiegels und nur teilweise möglicherweise sogar auf hohen Berggipfeln weitgehend unmöglich. Wasserdampf in unserer Troposphäre (der unteren Schicht der Atmosphäre) absorbiert so viel Infrarotlicht, dass dies traditionell nur durch das Senden eines Raumfahrzeugs verhindert werden konnte. SOFIA kann eine Nische füllen, indem es fast den gleichen Job macht, aber mit einem weitaus geringeren Risiko und einer weitaus längeren Lebensdauer. Das Flugzeug verfügt über hochentwickelte Infrarot-Überwachungskameras zur Überprüfung der eigenen Leistung und eine Wasserdampfüberwachung zur Messung der geringen Absorption.
Der 2,7-Meter-Spiegel (obwohl in der Praxis tatsächlich nur 2,5 Meter verwendet werden) verwendet einen Glaskeramikverbundstoff, der sehr thermisch tolerant ist. Dies ist angesichts der rauen Bedingungen, unter denen das Flugzeug das isolierte Teleskop durchführt, von entscheidender Bedeutung. Wenn man sich die Schwierigkeit vorstellt, die Amateurastronomen einige Nächte mit Teleskopstabilität unter stürmischen Bedingungen haben, ersparen Sie sich einen Gedanken für SOFIA, deren riesiges Cassegrain-Spiegelteleskop mit 1: 19,9 mit einer offenen Tür zum zu kämpfen hat
Winde mit einer Geschwindigkeit von 800 Stundenkilometern (500 Meilen pro Stunde). In der Regel werden einige Operationen bei einer Höhe von ca. 11.880 Metern (39.000 Fuß) statt bei einer möglichen Obergrenze von 13.700 Metern (45.000 Fuß) durchgeführt, da die höhere Höhe zwar etwas bessere Bedingungen bietet Mangelnde Absorption (immer noch über 99 Prozent des Wasserdampfs, der die meisten Probleme verursacht), bedeutet der zusätzliche Kraftstoffbedarf, dass die Beobachtungszeiten erheblich verkürzt werden und die 39.000 betragen
Fußhöhe operativ in einigen Fällen besser, um mehr Daten zu sammeln. Das Flugzeug verwendet ein ausgeklügeltes Luftansaugsystem, um den Luftstrom und die Turbulenzen vom offenen Teleskopfenster wegzuleiten und zu leiten. Im Gespräch mit den Piloten und Wissenschaftlern waren sich alle einig, dass auch die Leistung der Flugzeugtriebwerke keine Auswirkungen hat .
Cool bleiben
Die Kameras und die Elektronik aller Infrarot-Observatorien müssen bei sehr niedrigen Temperaturen gehalten werden, um zu vermeiden, dass thermisches Rauschen von ihnen in das Bild gelangt, aber SOFIA hat ein Ass im Ärmel. Im Gegensatz zu einer Weltraummission (mit Ausnahme der Wartungsmissionen zum Hubble-Weltraumteleskop, die jeweils 1,5 Milliarden US-Dollar kosten, einschließlich des Preises für den Start eines Space Shuttles), hat SOFIA den Vorteil, dass Instrumente ausgetauscht oder repariert oder das Kühlmittel nachgefüllt werden können Eine geschätzte Lebensdauer von mindestens 20 Jahren, weitaus länger als bei jeder weltraumgestützten Infrarotmission, bei der nach einigen Jahren kein Kühlmittel mehr vorhanden ist.
Inzwischen sind das Teleskop und seine Wiege eine technische Meisterleistung. Das Teleskop ist ziemlich im Azimut fixiert, mit nur einem Drei-Grad-Spiel, um das Flugzeug zu kompensieren, aber es muss sich nicht in diese Richtung bewegen, da das Flugzeug, das von einigen der besten der NASA gesteuert wird, diese Aufgabe für es erfüllt. Es kann während wissenschaftlicher Operationen zwischen 20 und 60 Grad Höhe arbeiten. Es wurde alles auf Toleranzen ausgelegt, die den Kiefer fallen lassen. Die Lagerkugel ist beispielsweise mit einer Genauigkeit von weniger als zehn Mikrometern poliert, und die Laserkreisel liefern Winkelinkremente von 0,0008 Bogensekunden. Das Teleskop ist durch eine Reihe von unter Druck stehenden Gummipuffern, die höhenkompensiert sind, vom Hauptflugzeug isoliert und fast vollständig frei von der Hauptmasse der 747, in der sich die Computer und Gestelle befinden, die nicht nur das Teleskop bedienen, sondern auch die Basisstation für Beobachtungswissenschaftler, die mit dem Flugzeug fliegen.
PI im Himmel
Die Principle Investigator Station befindet sich in der Mitte des Flugzeugs, einige Meter vom Teleskop entfernt, ist jedoch im Flugzeug eingeschlossen (in 45.000 Fuß Höhe der Luft ausgesetzt, würden die Besatzung und die Wissenschaftler sonst sofort getötet). Hier können Wissenschaftler zehn oder mehr Stunden lang Daten sammeln, sobald sich die Tür öffnet und das Teleskop auf das Ziel ihrer Wahl zeigt. Die Piloten folgen einer präzisen Flugbahn, um sowohl die Genauigkeit der Instrumentenausrichtung beizubehalten als auch diese am besten zu vermeiden die Möglichkeit von Turbulenzen. Während bodengestützte Teleskope schnell auf Ereignisse wie eine neue Supernova reagieren können, ist SOFIA in seinen wissenschaftlichen Operationen stärker reguliert, und bei Vorschlagszyklen über sechs Monate bis zu einem Jahr muss man ziemlich genau planen, wie ein Objekt am besten beobachtet werden kann.
Zukunft prognostizieren
Der wissenschaftliche Betrieb begann 2010 mit FORCAST (Infrarotkamera für schwache Objekte für Sofia-Teleskop) und wurde 2011 mit dem Instrument GREAT (Deutscher Empfänger für Astronomie bei Teraherz-Frequenzen) fortgesetzt. FORCAST ist ein Mittel- / Ferninfrarotinstrument, das mit zwei Kameras zwischen fünf und vierzig Mikrometern (zusammen können sie zwischen 10 und 25 Mikrometer arbeiten) und einem Sichtfeld von 3,2 Bogenminuten arbeitet. Es sah das erste Licht auf Jupiter und die Galaxie Messier 82, wird aber daran arbeiten, das galaktische Zentrum, die Sternentstehung in spiralförmigen und aktiven Galaxien abzubilden und auch Molekülwolken zu betrachten, eines seiner wichtigsten wissenschaftlichen Ziele, das es Wissenschaftlern ermöglicht, Staubtemperaturen und genau zu bestimmen Weitere Einzelheiten zur Morphologie sternbildender Regionen bis zu einer Auflösung von weniger als drei Bogensekunden (abhängig von der Wellenlänge, mit der das Instrument arbeitet). Daneben kann FORCAST auch eine Grismaspektroskopie (d. H. Ein Gitterprisma) durchführen, um detailliertere Informationen über die Zusammensetzung der betrachteten Objekte zu erhalten. Es gibt kein adaptives Optiksystem, aber es benötigt kein System für die Art der Operationen, die es ausführt.
FORCAST und GREAT sind nur zwei der „grundlegenden“ wissenschaftlichen Operationsinstrumente, zu denen auch Echelle-Spektrographen, Ferninfrarotspektrometer und hochauflösende Breitbandkameras gehören. Das Wissenschaftsteam arbeitet jedoch bereits an neuen Instrumenten für die nächste Betriebsphase. Die Instrumentenumschaltung ist zwar komplex, aber relativ schnell (vergleichbar mit der Zeit, die zum Umschalten von Instrumenten an größeren Bodenobservatorien benötigt wird) und kann in Beobachtungsbereitschaft erreicht werden, was das Flugzeug bis zu 160 Mal pro Jahr anstrebt. Und obwohl es keine festen Pläne gab, ein Schwesterschiff für SOFIA zu bauen, gab es unter Wissenschaftlern Diskussionen darüber, ein größeres Teleskop auf einen Airbus A380 zu setzen.
Sky Outreach
Mit einem geplanten Wissenschaftsbotschafterprogramm, an dem Lehrer teilnehmen, die mit dem Flugzeug fliegen, um Forschung zu betreiben, wird das öffentliche Profil von SOFIA wachsen. Die wissenschaftlichen Ergebnisse und Möglichkeiten von Instrumenten, die sich bei jeder Landung ständig weiterentwickeln, gewartet und verbessert werden können, sind im Vergleich zu Weltraummissionen unermesslich. Journalisten hatten erst kürzlich die Gelegenheit erhalten, dieses bemerkenswerte Flugzeug zu besuchen, und es war ein Privileg und eine Ehre, einer der ersten zu sein, die es aus der Nähe sahen. Zu diesem Zweck möchte ich der ESA und der NASA für die Einladung und die Gelegenheit danken, etwas so Einzigartiges zu sehen.
