Um ferne Exoplaneten aufzuspüren, verfügt das Nancy Grace Roman Space Telescope über eine Reihe hochspezialisierter wissenschaftlicher Instrumente. Eine Schlüsselrolle spielt dabei das Coronagraph Instrument (CGI), für das Ingenieure und Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Astronomie zentrale optische Komponenten entwickelt haben. Mit dem CGI soll ein neuartiges Kamerakonzept erstmals im Weltraum erprobt werden, das die direkte Abbildung von Exoplaneten in der Nähe ferner Sterne ermöglicht. Die Herausforderung dabei ist enorm: Planeten reflektieren nur einen Bruchteil des Lichts ihrer Zentralsterne und werden von deren Helligkeit nahezu vollständig überstrahlt. Besonders schwierig wird die Suche nach kleineren, erdähnlichen Planeten, die sich auf vergleichsweise engen Umlaufbahnen befinden. Um solche Welten überhaupt sichtbar machen zu können, kombiniert das CGI zwei bewährte Beobachtungsmethoden erstmals für den Einsatz im All: Koronografie und adaptive Optik.
Das Unsichtbare sichtbar machen
Mithilfe spezieller Masken blendet ein Koronograf das intensive Umgebungslicht aus und schafft so die Voraussetzung, deutlich lichtschwächere Objekte in seiner unmittelbaren Umgebung zu erkennen. Für die Suche nach potenziell bewohnbaren Planeten reicht dies jedoch allein nicht aus. Gesucht werden Himmelskörper, die milliardenfach dunkler als ihr Stern sind und ihn zugleich in einer Entfernung umkreisen, die das Vorhandensein von flüssigem Wasser ermöglichen könnte – eine der grundlegenden Voraussetzungen für Leben, wie wir es von der Erde kennen.
Um solche lichtschwachen Planeten direkt neben ihrem Zentralstern abzubilden, muss der Koronograf (CGI) nahezu perfekt funktionieren. Das geht nur vom Weltraum aus, ohne die störende Lufthülle der Erde, die Turbulenzen erzeugt. Doch selbst vom Weltraum aus müssen verbleibende Vibration und thermische Störungen auf dem Weltraumteleskop durch eine adaptive Optik korrigiert werden. Sie reduziert die verbleibenden optischen Artefakte und erhöht den Helligkeitskontrast zwischen Stern und Planet nochmals deutlich. Erst diese außergewöhnliche Präzision ermöglicht es, selbst schwächste Signale aus den Tiefen des Alls von ihrem hellen Hintergrund zu trennen.
Eine zentrale Funktion innerhalb des Coronagraph Instrument übernehmen die sogenannten Precision Alignment Mechanisms (PAM). Das Max-Planck-Institut für Astronomie entwickelte und fertigte insgesamt sechs Flugmodelle sowie sechs weitere Ingenieurmodelle dieser hochpräzisen Positioniersysteme. Ihre Aufgabe besteht darin, optische Komponenten wie Spiegel und Filter mit höchster Genauigkeit auszurichten und während der Beobachtungen stabil zu halten. Nur wenn diese Elemente exakt positioniert sind, kann das CGI die extrem schwachen Lichtsignale ferner Exoplaneten zuverlässig erfassen.
Höchst präzise dank FAULHABER
Damit die PAM die Positionier- und Stabilisierungsaufgaben zuverlässig erfüllen können, haben die Entwickler auf Antriebstechnologie und die Erfahrung von FAULHABER gesetzt. Zum Einsatz sind die bürstenlosen DC-Motoren der Familie 1628 … B in Kombination mit Planetengetrieben der Serie 15/10 gekommen. Für die optimale Passgenauigkeit und bestmögliche Funktion wurden außerdem die Anschlusskabel individuell modifiziert.
Dr. Oliver Krause, Leiter der Arbeitsgruppe Infrarot-Weltraumastronomie am MPIA erklärt die Kriterien bei der Produktauswahl:
„Unsere erste Anforderung war die Größe des Antriebssystems. Wir haben eine kompakte Lösung benötigt, die außerdem sehr stabil ist und absolut präzise verfährt, da die optischen Elemente nicht verkippen dürfen. Ebenso hat uns der geringe Energieverbrauch überzeugt.“
Bevor die Komponenten an Bord des Nancy Grace Roman Space Telescope ihren Weg ins All antreten konnten, mussten sie umfangreiche Qualifikationstests bestehen. Schließlich herrschen im Weltraum Bedingungen, die sich kaum mit denen auf der Erde vergleichen lassen. Deshalb wurden die Antriebe und Mechanismen unter realitätsnahen Einsatzbedingungen intensiv geprüft.
Dazu gehörten Temperaturtests in einem Bereich von etwa −35 bis +80 °C ebenso wie Versuche unter Hochvakuum, um das Verhalten der Komponenten im nahezu luftleeren Raum zu verifizieren. Auch die Strahlungsbeständigkeit spielte eine entscheidende Rolle: So wurden unter anderem die in den Motoren integrierten Hall-Sensoren gezielt bestrahlt, um ihre Funktionsfähigkeit unter den zu erwartenden Belastungen sicherzustellen. Darüber hinaus musste das gesamte System harte Vibrations- und Schocktests bestehen, die die enormen mechanischen Belastungen simulieren. Erst das erfolgreiche Zusammenspiel all dieser Prüfungen bestätigt, dass die Technologie den außergewöhnlichen Anforderungen einer mehrjährigen Weltraummission dauerhaft gewachsen ist.
Ein Meilenstein für die Exoplanetenforschung
Die Anforderungen an die im MPIA entwickelten Precision Alignment Mechanisms sind außergewöhnlich: Über einen Zeitraum von mehr als acht Stunden dürfen die optischen Elemente des Coronagraph Instrument – darunter Spiegel, Filter und Koronografen – um maximal 40 Millibogensekunden verkippen. Zum Vergleich: Dieser Winkel entspricht in etwa der scheinbaren Größe eines Menschen in Los Angeles – von Heidelberg aus betrachtet.
Diese extreme Präzision verdeutlicht die technologische Komplexität des CGI, das als eines der aufwendigsten und anspruchsvollsten wissenschaftlichen Instrumente gilt, das jemals für den Einsatz im Weltraum entwickelt wurde. Doch seine Bedeutung reicht weit über die aktuelle Mission hinaus. Gelingt die Inbetriebnahme und Validierung des Instruments im All, erhält die Astronomie ein leistungsstarkes Werkzeug für die Zukunft. Gleichzeitig könnte das CGI den Weg für eine neue Generation von Koronografen ebnen:
Die dabei gewonnenen Erkenntnisse und Technologien bilden die Grundlage für zukünftige, noch leistungsfähigere Weltraumteleskope, die eines Tages erdähnliche Planeten mit bisher unerreichter Genauigkeit untersuchen können. Damit ist das Coronagraph Instrument nicht nur ein Schlüssel zur Entdeckung neuer Welten, sondern auch ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zu den großen Observatorien der Zukunft – unterstützt von Präzisionstechnologie, die schon heute die Grenzen des technisch Machbaren verschiebt.
Produkte
Das Nancy Grace Roman Space Telescope
Das Weltraumteleskop ist nach der amerikanischen Astronomin Nancy Grace Roman benannt, die als erste leitende Astronomin der NASA gilt und oft als „Mutter des Hubble-Weltraumteleskops“ bezeichnet wird.
Das Nancy Grace Roman Space Telescope wird seit rund einem Jahrzehnt unter Leitung der NASA entwickelt. Mit seinem 2,4-Meter-Hauptspiegel verfügt es über die gleiche Spiegelgröße wie das Hubble-Weltraumteleskop, kann jedoch mit seiner Kamera deutlich größere Himmelsbereiche erfassen. Sein Sichtfeld ist etwa 100-mal größer als das von Hubble, wodurch gewaltige Himmelsdurchmusterungen möglich werden. Das zweite wissenschaftliche Instrument ist ein Koronograf, mit dem extrasolare Planeten abgebildet und untersucht werden können. Zu den wissenschaftlichen Schwerpunkten zählen die Erforschung von Exoplaneten, Dunkler Materie und Dunkler Energie.
Nach jahrelanger Entwicklung steht dem Observatorium nun seine größte Reise bevor. Der Start ist für Ende August 2026 geplant. Anschließend wird das Teleskop einen Beobachtungsposten am sogenannten Lagrange-Punkt L2 des Sonne-Erde-Systems ansteuern – rund 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt. Von dort aus soll es über mehrere Jahre hinweg neue Erkenntnisse über die Entstehung und Entwicklung unseres Universums sowie über ferne Planetensysteme liefern.