Führende amerikanische Astronomen sind sich einig, dass die nächste Welle großer Observatorien der NASA die bahnbrechenden Auftriebsmöglichkeiten nutzen sollte, die riesige neue Raketen wie das Starship von SpaceX bieten.
Der Start eines Nachfolgers des James-Webb-Weltraumteleskops (JWST) auf Starship könnte beispielsweise die Mission von lästigen Massen- und Volumenbeschränkungen befreien, die typischerweise die Komplexität und die Kosten in die Höhe treiben, sagte ein Gremium aus drei Astronomen kürzlich den National Academies. Ausschuss für Astronomie und Astrophysik.
„Die Verfügbarkeit größerer Massen- und Volumenkapazitäten bei geringeren Kosten vergrößert den Designraum“, sagte Charles Lawrence, Chefwissenschaftler für Astronomie und Physik am Jet Propulsion Laboratory der NASA. „Das wollen wir nutzen.“
Lawrences Vortrag befasste sich mit den Auswirkungen großer, neuer Trägerraketen auf zukünftige Astronomiemissionen. Die Präsentation wurde letzte Woche zusammen mit Martin Elvis, einem Astronomen am Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, und Sara Seager, einer Astrophysikerin und Planetenwissenschaftlerin am MIT, gehalten. Lawrence, Elvis und Seager haben Anfang des Jahres in der Zeitschrift Physics Today einen Artikel zu diesem Thema verfasst.
Es ist allgemein bekannt, dass die Fähigkeit des Raumschiffs, mehr als 100 Tonnen in den Weltraum zu befördern, und das zu einem Bruchteil der Kosten pro Kilogramm bestehender Raketen, die Art und Weise verändern würde, wie die Raumfahrtindustrie im Allgemeinen Geschäfte macht. Der Durchmesser des Raumschiffs von 9 Metern (davon wären 8 Meter Durchmesser für eine Nutzlast nutzbar) ist fast doppelt so breit wie das Nutzlastvolumen einer vorhandenen Rakete.
Aber Astronomen beginnen ernsthaft mit der Planung von Raketen wie dem Starship oder der New Glenn von Blue Origin mit einer etwas kleineren 7-Meter-Nutzlastverkleidung, die für den Transport der nächsten Generation großer Weltraumteleskope zur Verfügung stehen sollen.
Große Teleskope auf großen Trägerraketen
Im Jahr 2021 veröffentlichten die National Academies alle zehn Jahre einen Überblick über die wichtigsten Prioritäten der Astronomie und Astrophysik für die US-Wissenschaftsgemeinschaft. In dieser Umfrage, kurz Astro2020 genannt, legte eine hochrangige Gruppe von Wissenschaftlern einen Fahrplan für die NASA vor, den Großteil der 2020er Jahre damit zu verbringen, Technologien und Designs für die nächste Serie „großer Observatorien“ zu entwickeln, die auf solche wie Hubble und Chandra folgen werden , James Webb und das römische Weltraumteleskop, dessen Start für 2027 geplant ist.
Die Politik der NASA besteht darin, den Empfehlungen der Wissenschaftsgemeinschaft nach Möglichkeit zu folgen. Irgendwann gegen Ende des Jahrzehnts, so die Überlegung, sollte die NASA bereit sein, offiziell mit der Entwicklung dieser neuen Teleskope zu beginnen. Das erste sollte ein großes Teleskop namens „Habitable Worlds Observatory“ sein, dessen Größe mit dem von Webb vergleichbar wäre, mit einem Primärspiegel von etwa 6 Metern (20 Fuß) Durchmesser und einem Koronographen oder einem Sternenschirm, um das Sternenlicht auszublenden und direkte Beobachtungen von Planeten um andere herum zu ermöglichen Sterne oder Exoplaneten. Dies ist eine Funktion, die auf Webb nicht verfügbar ist.
Das Habitable Worlds Observatory mit Empfindlichkeit für Licht im infraroten, sichtbaren und ultravioletten Wellenlängenbereich hätte die Aufgabe, erdähnliche Exoplaneten auf der Suche nach Welten zu beobachten, die über die nötige Beschaffenheit verfügen, um Leben zu ermöglichen. Später sollte die NASA ähnlich ehrgeizige Ferninfrarot- und Röntgenteleskope starten, um die Entstehung von Sternen, Schwarzen Löchern und Galaxien zu untersuchen, empfahlen Wissenschaftler im Jahr 2021.
Diese großen, neuen Multimilliarden-Dollar-Missionen würden erst in den 2040er Jahren starten. Dies sei ein „furchteinflößender Zeitplan“, schrieben Elvis und seine Kollegen in ihrem Anfang des Jahres veröffentlichten Artikel. „Ein frischgebackener Doktorand von heute wird kaum ein Jahrzehnt von seiner Pensionierung entfernt sein, wenn überhaupt das erste Observatorium eröffnet wird.“
Die NASA verfügt nicht über das Budget, um sie früher zu starten, und die neuen Teleskope erfordern Innovationen bei Optik, Detektoren und Materialien, um sie realisierbar zu machen.
Vielleicht könnte die Einführung großer, neuer Raketen einige dieser technologischen Hürden verringern, sagten Wissenschaftler. Letztendlich könnten sie zu vereinfachten Designs führen, die Kosten senken und möglicherweise die Zeit verkürzen, die für die Entwicklung und den Bau der nächsten großen Observatorien erforderlich ist. Vielleicht müssen sie nicht bis in die 2040er Jahre warten, um auf den Markt zu kommen. Dies sind wichtige Faktoren, wenn man bedenkt, dass die ersten Schätzungen der National Academies davon ausgehen, dass das Habitable Worlds Observatory etwa 11 Milliarden US-Dollar kosten wird.
„Designs unterliegen starken Einschränkungen durch die Trägerraketen sowie durch das Volumen und die Masse, die für die gewünschte Umlaufbahn zur Verfügung stehen, und das führt unweigerlich zu erhöhter Komplexität und Kosten“, sagte Elvis.
Elvis sagte, Ingenieure, die an vorläufigen Entwürfen für diese neuen Teleskope arbeiten, sollten in den nächsten Jahren ihre Annahmen über die Arten von Raketen überdenken, die für den Start der Missionen ins All zur Verfügung stehen würden.
„Wir schlagen Studien aller drei dieser Astro2020-Flaggschiffe sowie ihrer Nutzlasten und Raumschiffe in diesem neuen Raumschiff-Paradigma oder einem anderen großen Trägerraketen-Paradigma vor, um den sich eröffnenden Designraum zu nutzen“, sagte Elvis letzte Woche.
„Die großen Fragen sind: Sind die großen Kosteneinsparungen, die wir skizziert haben, wirklich plausibel, und kann Astro2020 dadurch beschleunigt werden?“ er fügte hinzu.
Tyrannei der Rakete
Um die durch die Kapazität einer Rakete bedingten Einschränkungen zu veranschaulichen, werfen wir noch einmal einen Blick auf das James-Webb-Weltraumteleskop. Webb musste in die Nutzlastverkleidung einer Ariane-5-Rakete mit einem Durchmesser von etwa 5 Metern passen, die den größten Nutzlastraum aller verfügbaren Trägerraketen hatte, als die Ingenieure Webb zum ersten Mal entwarfen. Das bedeutete, dass die 18 einzelnen Primärspiegelsegmente des Teleskops gefaltet werden mussten, und die Designer entwickelten einen fünfschichtigen Sonnenschirm in der Größe eines Tennisplatzes aus dünner, aber wirksamer Isolierung, um die Sonnenwärme und das Licht vom Teleskop fernzuhalten. All das musste gebündelt werden, damit Webb beim Start im Jahr 2021 in die Grenzen seiner Rakete passen konnte.
Mit einer größeren Rakete wie Starship oder New Glenn könnte ein zukünftiges Teleskop einen monolithischen Spiegel verwenden, wodurch die Notwendigkeit segmentierter Spiegel entfällt. Es gibt wissenschaftliche Argumente, die darauf hindeuten, dass segmentierte Spiegel für einige Anwendungen besser sein könnten, aber die Entscheidung ist noch nicht geklärt. Anstatt einen komplexen, ausfahrbaren Sonnenschutz zu benötigen, der möglicherweise störanfällig ist, könnten die Ingenieure außerdem einen größeren, starren Sonnenschutz anbringen, der das gesamte Teleskop umhüllt.
Wenn es mit einer riesigen Rakete wie Starship gestartet würde, könnten die Spiegel eines Teleskops dicker und schwerer sein, was bedeutet, dass sie einfacher herzustellen und zu polieren wären, sagten Wissenschaftler. Eine schwerere Rakete könnte es Raumfahrzeugkonstrukteuren ermöglichen, größere Solarpaneele für zusätzliche Energie hinzuzufügen. Die zusätzliche Leistung könnte es dem Raumschiff ermöglichen, billigere Elektronik mit mehr Redundanz zu verwenden, sagte Elvis.
„Eine der größten Lehren aus dem JWST war, wie wichtig es ist, die Raketen von vornherein im Detail zu verstehen“, sagte Lee Feinberg, Webbs Optikmanager und Co-Vorsitzender der technischen Bewertungsgruppe, die das Habitable Worlds Observatory untersucht. „Eine der Der Schlüsselpunkt hier ist, dass wir Flexibilität wollen. Von einer Mission sind wir noch über 20 Jahre entfernt.“
Und wer weiß, welche Raketen in den 2040er Jahren überhaupt fliegen werden? Für das römische Weltraumteleskop, das in einigen Jahren starten soll, dachten NASA-Beamte, sie hätten die Wahl zwischen mehreren Raketen. Es stellte sich heraus, dass neue Raketen, wie die Vulcan der United Launch Alliance und die New Glenn von Blue Origin, noch nicht bereit waren, als die NASA einen Trägerunternehmer auswählen musste. Standardmäßig ging der Auftrag für den Start einer Falcon Heavy-Rakete an SpaceX.
„Es unterstreicht wirklich, wie wichtig es ist, bei Raketen flexibel zu sein“, sagte Feinberg, Ingenieur am Goddard Space Flight Center der NASA. Er traf sich kürzlich mit SpaceX und Blue Origin. „Wir gehen derzeit davon aus, dass sowohl New Glenn als auch Starship vielversprechend aussehen“, sagte er.
Es gibt weitere neue Raketen. Das Space Launch System der NASA ist zu teuer, um es überhaupt in Betracht zu ziehen. „Der neue Vulcan von ULA hat keine wesentlich größere Verkleidung, also haben wir nicht einmal darüber nachgedacht“, sagte Elvis.
Ist Starship die Antwort?
Studien haben gezeigt, dass das Starship mit seinem größeren Durchmesser eine Reihe von Teleskopdesigns aufnehmen könnte, beispielsweise diejenigen, die für das Habitable Worlds Observatory in Betracht gezogen werden. Starship könnte das Observatorium mit seinem etwa 6 Meter großen Primärspiegel in gefalteter oder entfalteter Konfiguration, auf der Seite liegend oder nach oben zeigend, starten.
„Wir haben herausgefunden, dass man mit Starship wirklich viel Flexibilität hat“, sagte Feinberg letzte Woche auf der Sitzung des National Academies Committee.
Natürlich haben Starship und New Glenn es noch nicht in die Umlaufbahn geschafft, und es sind noch viele Flüge, bis sie für den Start einer Flaggschiff-Mission der NASA in Frage kommen. Aber SpaceX und Blue Origin haben noch ein paar Jahrzehnte Zeit, um die Zuverlässigkeit ihrer neuen Raketen zu beweisen, bevor die NASA eines ihrer neuen großartigen Observatorien zum Start an Bord bringt.
„Bis unser erstes großes Observatorium startet, wird Starship vermutlich viele, viele Male gestartet sein und einen Rekord vorweisen, den Sie beurteilen können“, sagte Seager.
Es ist auch nicht klar, wie hoch der Preis eines Starship- oder New Glenn-Starts in den 2030er oder 2040er Jahren sein könnte, aber es wird wahrscheinlich nur einen kleinen Bruchteil der Gesamtkosten eines milliardenschweren Observatoriums ausmachen.
Um eines dieser Teleskope in den Weltraum zum Lagrange-Punkt L2 zu schicken, wo sie das Universum fernab von Störungen durch die Erde beobachten würden, müsste Starship im Orbit aufgetankt werden. Feinberg sagte, die Optikexperten der NASA hätten Fragen dazu, ob der Auftankvorgang die empfindlichen Spiegel eines Teleskops kontaminieren könnte. Ein Teleskop, das in einer erdnahen Umlaufbahn herumlungert und darauf wartet, dass sein Raumschiff aufgetankt wird, könnte ebenfalls extremen Temperaturschwankungen ausgesetzt sein und möglicherweise beschädigt werden.
„Das sind alles Überlegungen, die wir in den kommenden Jahren verstehen müssen“, sagte Feinberg. „Wenn wir (SpaceX) nach Details fragen, haben wir das Gefühl, dass sie es uns sagen werden, sobald sie diese Dinge herausfinden, aber sie können uns diese Dinge jetzt nicht sagen. Auf der New Glenn-Seite ist es eine andere Sache, wo was Sie planen einen Start (auf ihrem ersten Flug), der Sie möglicherweise zu L2 bringen könnte, also sind sie sehr nah dran.“
Wenn die NASA mit ihren Weltraumteleskopen der nächsten Generation noch größer werden will, könnte Starship laut Feinberg letztendlich einen gefalteten Spiegel mit einer Breite von 10 bis 12 Metern aufnehmen. Für New Glenn liegt die Obergrenze wahrscheinlich in der Größenordnung von etwa 8 Metern. Größere Spiegel vergrößern die Sammelfläche eines Teleskops und sorgen so für eine bessere Auflösung, um kleinere und schwächere Objekte zu sehen.
„Ich denke, wir befinden uns in einer neuen Situation“, sagte Elvis. „Diese Trägerraketen verändern, was wir im Weltraum tun können und zu welchem Preis.“ Die Art und Weise, wie Sie die Mission gestalten, hat sich völlig verändert.