Megaprojekte
JWST – Das James-Webb-Weltraumteleskop
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Einige Megaprojekte umfassen gigantische Infrastrukturen, wie zum Beispiel den 27‑km‑Durchmesser‑Kreis des Teilchenbeschleunigers von CERN oder das 800 Meilen lange Neutrino‑Experiment DUNE.
Andere können als Megaprojekte bezeichnet werden, nicht wegen ihrer Größe, sondern wegen ihrer schieren Komplexität, Kosten und ihrer transformativen Wirkung auf unser Verständnis des Universums.
Ein gutes Beispiel dafür ist das James‑Webb‑Weltraumteleskop (JWST). Dieses im Weltraum befindliche Infrarot‑Licht‑Teleskop ist das leistungsstärkste und größte, das je gebaut wurde. Das Teleskop trägt den Namen von James E. Webb, dem legendären Administrator der NASA von 1961 bis 1968 während der Mercury‑, Gemini‑ und Apollo‑Programme.
Quelle: NASA
JWST ist so leistungsstark, dass es uns gleichermaßen dabei helfen kann, die allerersten Sterne zu beobachten, die im Universum entzündet wurden, und potenziell bewohnbare Exoplaneten zu finden. Und um diese Ergebnisse zu erzielen, haben Wissenschaftler und Ingenieure Wunder vollbracht, um die Grenzen dessen, was Teleskope erreichen können, zu erweitern.
Warum ein Teleskop ins All bringen?
Das Erste, das man über das James‑Webb‑Weltraumteleskop verstehen muss, ist, warum es überhaupt im All sein muss. Schließlich ist das Heben komplexer Maschinen in den Weltraum weitaus schwieriger, als das Gleiche auf der Erde zu bauen.
Indem sie die Atmosphäre verlassen, können Teleskope das Universum unbeeinflusst von Lichtverschmutzung, atmosphärischer Turbulenz und natürlich Wolken und Wetterbedingungen beobachten.
Das ist der Grund, warum das relativ kleine Hubble‑Teleskop im Vergleich zu bodengebundenen Teleskopen so gut abschneidet. Für JWST war das jedoch noch wichtiger, da dieses Teleskop nicht sichtbares Licht, sondern Infrarotlicht misst.
Wasserdampf in der Erdatmosphäre absorbiert Infrarotstrahlung. Bodengebundene Infrarotteleskope werden meist auf hohen Bergen und in sehr trockenen Klimazonen platziert, um die Sicht zu verbessern, doch das ist immer noch nicht ideal und schafft eine inhärente Grenze für das, was sie beobachten können.
JWST ist das neueste und bei weitem leistungsstärkste Instrument einer Reihe von weltraumbasierten Infrarotteleskopen, nach dem Infrared Astronomical Satellite (IRAS), dem Spitzer Space Telescope und dem Wide‑field Infrared Survey Explorer (WISE).
JWST wurde 2021 mit einer französischen Ariane‑5‑Rakete von Französisch‑Guyana gestartet. Einen Monat später erreichte es sein Ziel, den Sun‑Earth L2 Lagrange‑Punkt, etwa 1,5 Millionen Kilometer (930.000 Meilen) von der Erde entfernt.
Lagrange‑Punkte sind Positionen im Weltraum, die im Vergleich zur Erde konstant bleiben, obwohl sie nicht in einer Erdumlaufbahn liegen. Derzeit wird ein anderer Lagrange‑Punkt (L1) vom DSCOVR: Deep Space Climate Observatory genutzt.
Quelle: NOAA
Die Position von JWST ermöglicht es, das ganze Jahr über fast jeden Punkt am Himmel zu beobachten, solange er nicht in Richtung Erde und Sonne liegt; 39 % des Himmels sind zu jeder Zeit potenziell für Webb sichtbar.
Warum Infrarotbeobachtungen nutzen?
Entfernte Objekte
Bei sehr entfernten Objekten im Universum tritt ein Phänomen namens „Rotverschiebung“ auf, das ihr Licht in den Infrarotbereich verschiebt. Daher muss jede Beobachtung des sehr tiefen (und damit sehr alten) Teils des Universums im Infrarot‑Lichtspektrum erfolgen.
Quelle: SciTech Daily
Aufgrund dieses Phänomens konnte Hubble nur bis zu einer gewissen Entfernung und zurück in der Zeit sehen, als die ersten Galaxien entstanden. Durch die Beobachtung im Infrarot kann JWST so weit in die Geschichte des Universums zurückblicken, bis zu den ersten Sternen, die sich bildeten.
Exoplaneten
Infrarotbeobachtungen haben einen weiteren Vorteil, diesmal bei der Analyse von Exoplaneten. JWST wird ein System namens Koronograf tragen: Dieser blockiert das Licht eines Sterns, sodass wir die weniger hellen Objekte, die ihn umkreisen, wie kleine Exoplaneten, besser sehen können.
Das Bild eines Exoplaneten wäre nur ein Fleck, kein großes Panorama.
Quelle: NASA
Dennoch kann das Licht dieses Flecks mittels einer Methode namens Spektroskopie analysiert werden, die uns die Zusammensetzung der Atmosphäre dieser Exoplaneten verrät. Bei Infrarotwellenlängen besitzen die Moleküle in den Atmosphären von Exoplaneten die meisten spektralen Merkmale, sodass wir viel mehr Informationen erhalten als bei Verwendung von sichtbarem Licht.
Durch diese Methode könnten wir nicht nur feststellen, ob Planeten in anderen Sonnensystemen Wasser und CO₂ besitzen, sondern auch Methan, Ammoniak oder komplexe Moleküle, die potenziell auf außerirdisches Leben hindeuten.
JWST im Vergleich zu Hubble
Bezüglich seiner Beobachtungsfähigkeit konzentriert sich JWST hauptsächlich auf nahes Infrarotlicht, kann aber je nach verwendetem Instrument auch orange‑ und rotes sichtbares Licht sowie den mittleren Infrarotbereich sehen.
Es kann Objekte erkennen, die 100‑mal weniger hell sind als die, die Hubble sehen konnte. Und in vielen Fällen wird es verwendet, um auf Objekte zurückzublicken, die Hubble zuerst enthüllte, um neue Erkenntnisse über sie zu gewinnen.
Allerdings wird die Bildschärfe mit der von Hubble vergleichbar sein, da Infrarotbilder aufgrund der längeren Wellenlängen von Natur aus weniger scharf sind als sichtbares Licht.
Ein weiterer Unterschied zwischen den beiden ikonischen Teleskopen besteht darin, dass JWST durch Gaswolken sehen kann, die sichtbares Licht blockieren, aber nicht das Infrarot. Daher zeigt JWSTs Version des berühmten Bildes der Säulen der Schöpfung im Adlernebel viele Sterne innerhalb und um die Säulen herum.
Quelle: Webb Telescope
JWST‑Spezifikationen
JWST verfügt über einen 6,5 Meter (21 Fuß) großen, goldbeschichteten Beryllium‑Primärspiegel, der aus 18 einzelnen sechseckigen Spiegeln besteht und ihm sein ikonisches Aussehen verleiht.
Jeder dieser Spiegel wiegt 20 kg (44 Pfund). Die 100‑Nanometer‑Goldbeschichtung sorgt für die Reflexion von Infrarotlicht und ist mit Glas überzogen, um ausreichend widerstandsfähig zu sein. Dadurch hat sie eine Lichtsammlungsfläche, die 6‑mal größer ist als die von Hubble. Insgesamt wurden nur 48,25 g Gold (1,7 Unzen) verwendet.
Quelle: NASA
Webb ist im Gegensatz zu Hubble nicht für eine Wartung durch Astronauten konzipiert, da es sich in großer Entfernung von der Erde befindet. Daher sind alle kritischen Unterkomponenten redundant ausgelegt, zum Beispiel zwei Nahinfrarotkameras, oder so konstruiert, dass sie viele Jahre halten, wie die Spiegel.
JWST wird voraussichtlich mindestens 5 Jahre, mit dem Ziel von 10 Jahren Betrieb, halten. Es verfügt jedoch über genügend Treibstoff (um im Lagrange‑Punkt zu bleiben) für insgesamt 20 Jahre, sodass es länger dauern könnte, wenn kein Schlüsselteil ausfällt.
JWST‑Budget
Insgesamt hat das James‑Webb‑Weltraumteleskop mehr als 11 Mrd. $ gekostet, mehr als das Zehnfache der ursprünglichen Schätzung von NASA für dieses Projekt. Dieser Preisanstieg bedrohte die Durchführbarkeit des Projekts in den 2010er‑Jahren, da das Budget damals auf „nur“ 6,5 Mrd. $ anstieg.
Ein ursprünglich für 2014 geplanter Start, der letztlich 7 Jahre verspätet war, trug zu den Kritiken bei.
“Die grundlegende Ursache des Problems liegt darin, dass zum Zeitpunkt (der formellen Genehmigung des Programms), zurück im Juli 2008, das von der Projektstelle vorgelegte Budget für die NASA im Grunde fehlerhaft war,” sagte er den Reportern in einer nachmittäglichen Telefonkonferenz.
Das Budget enthielt schlichtweg nicht die Inhalte, die das Projekt zu diesem Zeitpunkt bereits kannte. Und aus finanzieller Sicht war es daher einfach unzureichend, um die Arbeit zu erledigen.
John Casani, ein weithin respektierter Projektmanager am Jet Propulsion Laboratory der NASA
Obwohl das Projekt fast zwei Jahrzehnte für Planung und Bau benötigte, überschritt es nie mehr als 3 % des Jahresbudgets der NASA. Es verbrauchte jedoch ein Drittel des Budgets der Astrophysik‑Division der NASA zwischen 2003 und 2021.
Und jetzt, da JWST eines der beeindruckendsten und erfolgreichsten Programme der Astronomiegeschichte ist, werden die meisten dieser Debatten vergessen.
Die erstaunliche Technik von JWST
Gewichtsreduktion
Das erste Problem, das die Designer von JWST lösen mussten, war, dass ein so großer Spiegel zu schwer werden würde. Hätten sie Hubbles Design wiederverwendet, wäre er zu schwer für den Start ins All gewesen.
Deshalb wurde Beryllium gewählt, das sowohl stark als auch leicht ist. Ein weiterer Faktor war die extreme Temperatur des tiefen Weltraums, die die erforderliche, äußerst präzise Krümmung der Spiegel verformen könnte.
Beryllium war hier ebenfalls eine gute Wahl, weil es seine Form bei extremer Kälte nicht mehr ändert. Daher wurden die Spiegel mit einem „falschen“ Winkel gefertigt, der sich exakt in die gewünschte Endform verformt, wenn er der Kälte des Weltraums (-233 °C/-388 °F) ausgesetzt wird.
Quelle: JWST
Jeder Spiegel würde schließlich mit einer Präzision ausgerichtet werden, die einem Zehntausendstel der Dicke eines menschlichen Haares entspricht.
Ultraleichte Materialien wie Verbundstoffe wurden ebenfalls für das Grundgerüst des Teleskops gewählt, um weiteres Gewicht zu sparen.
Quelle: NASA
Zusammenfalten
Ein weiteres großes Problem war, dass die extreme Größe des Teleskopspiegels, die dieses Design erfordert, in keine verfügbare Rakete passen würde.
Daher wurde bereits früh beschlossen, die Struktur Bauteil für Bauteil zu entfalten, einschließlich des Sonnenschutzes und der Spiegel. Wie man das Ganze effizient faltet und zuverlässig entfaltet, blieb eine Herausforderung.
NASA‑Wissenschaftler ließen sich von Origami, der japanischen Kunst des Papierfaltens, inspirieren, wobei die endgültige Wahl auf ein hexagonales Origami‑Muster fiel.
Dies war eine hochriskante Entscheidung für das James‑Webb‑Designteam, da ein solch komplexes Entfalten zuvor nie durchgeführt wurde. Jeder Fehler hätte das gesamte Projekt zum Scheitern verurteilt.
Sie können sehen, wie das Entfalten Schritt für Schritt in diesem kurzen JWST‑Video funktioniert:
Sonnenschutz
Da das Teleskop seine Ziele im Infrarot beobachtet, war der Schutz vor der Sonnenwärme ebenso wichtig wie leichte und korrekt entfaltete Spiegel.
Der Sonnenschutz von JWST hält den Unterschied zwischen der heißen und kalten Seite des Teleskops bei fast 315 °C/600 °F, dank einer 5‑lagigen Isolierung.
Der Sonnenschutz ist so groß wie ein Tennisplatz und besteht aus Schichten von Kapton E (Polyimidfolie) mit Aluminium‑ und dotierten Siliziumbeschichtungen, um die Sonnenwärme zurück ins All zu reflektieren.
Telekommunikation
JWST überträgt seine Daten zurück und empfängt Anweisungen von der Erde über das Deep‑Space‑Network der NASA. Dieses nutzt Bodenstationen in Canberra, Madrid und Goldstone.
Webb kann täglich mindestens 57,2 Gigabyte aufgezeichnete wissenschaftliche Daten herunterladen, mit einer maximalen Datenrate von 28 Megabit pro Sekunde.
Quelle: Webb Telescope
Weitere Komponenten
Der Rest des Teleskops war ebenso hochmodern und leistungsstark. Ehrenswerte Erwähnungen verdienen einige Geräte:
- Cryocooler: Die Mittel‑Infrarot‑Sensoren (MIRI) von JWST müssen bei -266,15 °C/-447 °F arbeiten, kälter als selbst die Tiefen des Weltraums. Daher musste ein zusätzliches Kühlsystem hinzugefügt werden, um das Instrument zu kühlen.
- Backplane: Das Grundgerüst des Teleskops wiegt 2,4 Tonnen (5.300 Pfund) und liefert die absolut unbewegliche Position, die für scharfe Aufnahmen nötig ist. Es wurde so konstruiert, dass es bis zu 32 Nanometer stabil bleibt, was einem Zehntausendstel des Durchmessers eines menschlichen Haares entspricht.
- Micro‑Shutters: Dieses Gitter aus 248.000 winzigen Türen kann einzeln geöffnet und geschlossen werden, um Licht zu übertragen oder zu blockieren. Dadurch kann JWST gleichzeitig Hunderte einzelner Objekte in einem Stern‑ oder Galaxienfeld beobachten. Infolgedessen kann JWST in einem bestimmten Zeitraum viel mehr Beobachtungen durchführen.
Erfolge von JWST
Obwohl JWST erst seit wenigen Jahren im Einsatz ist, hat es bereits das Verständnis der Astronomen vom Universum grundlegend verändert. Es ist fast unmöglich, alles aufzuzählen, was es bereits geleistet hat, aber einige Geschichten verdienen besondere Hervorhebung.
Verbreitung neu gebildeten Kohlenstoffs
JWST hat zwei Sterne identifiziert, die in einer Entfernung von nur 5.000 Lichtjahren in unserer eigenen Milchstraße kohlenstoffreichen Staub erzeugen. Es entdeckte konzentrische sphärische „Schalen“, die durch die kollidierenden Sonnenwinde der beiden Sterne entstanden sind und neu gebildeten Kohlenstoff in die Galaxie verbreiten.
Quelle: Webb Telescope
Jede Schale rast mit mehr als 1.600 Meilen pro Sekunde (2.600 Kilometer pro Sekunde) von den Sternen weg, fast 1 % der Lichtgeschwindigkeit. In diesem System zeigt das Observatorium, dass sich die Staubschalen von einem Jahr zum nächsten ausdehnen.
Die mittel‑Infrarot‑Bilder des Teleskops entdeckten Schalen, die mehr als 130 Jahre bestanden haben. Ältere Schalen haben sich so weit aufgelöst, dass sie jetzt zu schwach zum Nachweis sind.
Jennifer Hoffman, Mitautorin und Professorin an der University of Denver
Aktive Objekte am Rand unseres Sonnensystems
JWST entdeckt Gasausstoß von dem eisigen „Centaur 29P/Schwassmann‑Wachmann“, einem kometenähnlichen Objekt in der Nähe des Neptuns.
Sie entdeckten einen neuen Strahl von Kohlenmonoxid (CO) und zuvor nicht beobachtete Strahlen von Kohlendioxid (CO₂), die neue Hinweise auf die Beschaffenheit des Kerns des stellaren Objekts geben.
Quelle: Webb Telescope
Bild naher Exoplaneten
JWST erlangte ein Direktbild eines Exoplaneten, der nur 12 Lichtjahre von uns entfernt ist, Epsilon Indi Ab. Der Planet hat das Mehrfache der Masse des Jupiters und umkreist einen Stern, der unserer Sonne etwas ähnlich ist.
Er ist einer der kältesten direkt entdeckten Exoplaneten, mit einer geschätzten Durchschnittstemperatur von 2 °C/35 °F (zum Vergleich: Die durchschnittliche Erdtemperatur beträgt 15 °C (59 °F).
Kalte Planeten sind sehr schwach, und der Großteil ihrer Strahlung liegt im mittleren Infrarot.
Er ist etwas wärmer und massereicher, aber ihm ähnelt Jupiter mehr als jedem anderen bisher abgebildeten Planeten.
Elisabeth Matthews vom Max‑Planck‑Institut für Astronomie in Deutschland.
Komplexe Moleküle in entstehenden Planeten
Unterdessen könnte der Exoplanet K2‑18 b ein Hycean‑Exoplanet sein, der potenziell eine wasserstoffreiche Atmosphäre und eine von Ozeanen bedeckte Oberfläche besitzt.
Exoplaneten wie K2‑18 b, die Größen zwischen denen der Erde und des Neptuns haben, gibt es in unserem Sonnensystem nicht. Unsere Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung, bei der Suche nach Leben anderswo unterschiedliche bewohnbare Umgebungen zu berücksichtigen.
Nikku Madhusudhan, Astronom an der University of Cambridge
JWST fand außerdem mehrere Kohlenstoffverbindungen und sogar Dimethylsulfid in der Atmosphäre des Planeten.
Quelle: NASA
JWST entdeckte zum ersten Mal außerhalb unseres Sonnensystems Ethan (C2H6) sowie Ethylen (C2H4), Propyne (C3H4) und das Methylradikal CH3 um einen jungen Stern.
Es machte außerdem die erste Entdeckung schwerer Elemente aus einer Sternenverschmelzung, die zum zweitschönsten jemals entdeckten Gammastrahlenausbruch führte, oder einer Kilonova. Die Wissenschaftler von JWST entdeckten Tellur im Nachglühen der Explosion.
Entferntestes (antikes) Schwarzes Loch, das je entdeckt wurde
In Kombination mit dem Chandra‑X‑Ray‑Observatorium der NASA entdeckte JWST ein wachsendes Schwarzes Loch nur 470 Millionen Jahre nach dem Urknall. JWST fand die Galaxie, und Chandra das Schwarze Loch selbst.
Source: NASA
Wir glauben, dass dies die erste Entdeckung eines „überdimensionalen Schwarzen Lochs“ ist, das direkt aus dem Kollaps einer riesigen Gaswolke entstanden ist.
Zum ersten Mal sehen wir eine kurze Phase, in der ein supermassives Schwarzes Loch etwa so viel wiegt wie die Sterne seiner Galaxie, bevor es zurückbleibt.
Die Zukunft von JWST
Nachdem JWST Exoplaneten gefunden und analysiert hat, macht es sich nun auf die Suche nach Exomonden. Wir wissen, dass diese planetaren Körper, in einigen Fällen potenziell größer als die Erde, existieren müssen, aber bislang kein Instrument empfindlich genug war, sie zu entdecken. Gasriesen‑Exoplaneten wie Jupiter sind dafür ideale Kandidaten.
JWST wird zudem supermassive Schwarze Löcher und Quasare untersuchen, bei denen Schwarze Löcher Materie mit Lichtgeschwindigkeit aus ihren Polen ausstoßen. Das Teleskop wird sich auf sehr frühe Exemplare dieser stellaren Phänomene konzentrieren.
Schließlich könnte das Studium von Galaxien sowie großräumiger Strukturen des Universums in sehr früher Zeit neue Erkenntnisse über die Natur von Dunkler Materie und Dunkler Energie liefern, die Wissenschaftler seit Jahrzehnten zu entziehen scheinen.
Hauptauftragnehmer von JWST
Northrop Grumman Aerospace Systems
NOC Preisdiagramm
Ein Projekt wie JWST ist fast immer das Ergebnis einer internationalen Zusammenarbeit, mit, in diesem Fall, der Beteiligung von NASA, ESA und der Canadian Space Agency.
Es umfasste zudem viele Auftragnehmer aus dem privaten Sektor, wobei der prominenteste das Luft‑ und Raumfahrt‑ und Verteidigungsunternehmen Northrop Grumman (NOC ) ist.
Northrop Grumman ist am bekanntesten für die Schaffung des ikonischen B‑2‑Stealth‑Strategiebombers, der fast eine Milliarde Dollar kostet. Dieses über 20 Jahre alte Design wird durch den B‑21 ersetzt, der sich noch in Entwicklung befindet.
Das Unternehmen steht zudem an der Spitze der Raumfahrttechnologie, wie seine Arbeit am hochmodernen James‑Webb‑Weltraumteleskop zeigt. Der Großteil seiner Einnahmen stammt aus Raum‑ und Luftfahrtsystemen.
Quelle: Northrop
Ein weiterer großer Bereich ist die Mission‑Systems‑Division, die ein breites Spektrum an Sensoren, Cyber‑Defence‑Software, gesicherter Kommunikation und C4ISR (Command, Control, Communications, Computers, Intelligence, Surveillance, and Reconnaissance) abdeckt.
Sie ist zudem ein führender Hersteller von Munition, von Klein‑ bis Großkaliber und gelenkten Projektilen.
Northrop Grumman blickt auf seine Rolle als Lieferant fortschrittlicher Waffen, mit der Entwicklung und dem Einsatz autonomer Waffensysteme, voraus:
- X-47B, ein tailloses, kampfflugzeuggroßes unbemanntes Flugzeug.
- Der Hubschrauber‑Drohne Fire Scout.
- Überwachungsdrohnen Global Hawk und MQ-4C Triton.
- Maritime Drohnen Manta Ray und AQS-24B/C Minehunting System.
- Bat Unmanned Aircraft System (UAS), ein multifunktionales, dauerhaftes und kostengünstiges taktisches unbemanntes Flugzeugsystem.
Quelle: Northrop
Das Unternehmen steht an der Spitze der Entwicklung von Direktenergie‑Waffen (Laser), elektronischer Kriegsführung, Anti‑Drohnen‑Systemen und interkontinentalen ballistischen Raketen.
Aus Investitions‑ und Finanzsicht hat Northrop Grumman seit 2014 seine Dividende um 12 % CAGR erhöht und gleichzeitig die Aktienzahl um 31 % reduziert. Das führte 2023 zu 2,6 Mrd. $ an Dividenden und Aktienrückkäufen, während das Unternehmen 2,1 Mrd. $ freien Cashflow erwirtschaftete.
Northrop Grumman erzielt fast ausschließlich Einnahmen aus dem US‑Verteidigungsbudget, wobei NASA 3 % der Einnahmen ausmacht und der internationale Verkauf 12 %.
Quelle: Northrop
Während Unternehmen wie RTX und Lockheed den Großteil der US‑Air‑Force‑Stärke (Jagdflugzeuge, Raketen, Luftverteidigung) liefern, stellt Northrop Grumman die fortschrittlichste Kapazität bereit, von Weltraum bis zu integrierten Kommando‑ und stealth‑Schwerbombern.
Und vielleicht bald auch ein bedeutender Teil der fortschrittlichen Drohnen, der elektronischen Kriegsführung und der Energiewaffen.
Mit der wachsenden Bedeutung von Drohnen und elektronischer Kriegsführung wird Northrop voraussichtlich immer zentraler für die offensiven und defensiven Fähigkeiten der USA werden. Und seine neuen Stealth‑Bomber werden ein entscheidender Faktor sein, um mit gleichwertigen Gegnern wie Russland und China, bei denen die Spannungen sehr hoch bleiben, Schritt zu halten.
