Hubble Space Telescope: Kreiseltraining im Weltall
Nach dem Ausfall eines Kreiselkompasses wurde das Hubble Space Telescope am 8. Oktober 2018 in einen Sicherheitsmodus versetzt , nachdem das Ersatzgerät Probleme machte. Inzwischen ist es den Ingenieuren der Nasa aber gelungen, den Kompass in Betrieb zu nehmen. Demnächst soll Hubble wieder in den normalen Wissenschaftsbetrieb(öffnet im neuen Fenster) übergehen.
Im Lauf von 28 Jahren Betriebszeit hat das Hubble Space Telescope nicht nur mit wissenschaftlichen Erkenntnissen, sondern auch mit technischen Defekten immer wieder für Aufmerksamkeit gesorgt. Nachdem das Debakel des falsch geschliffenen Hauptspiegels korrigiert wurde, waren es vor allem immer wieder ausfallende Kreiselkompasse, die zu Störungen im Betrieb führten. Bei jeder der über eine Milliarde US-Dollar teuren Servicemissionen wurden sie ausgetauscht.
Hubble wird alt
Insgesamt hat das alternde Teleskop sechs dieser Kompasse, jeweils zwei für jede Achse. Sie messen die Lage des Teleskops im Raum und erlauben es, das Teleskop im Weltraum mit Schwungrädern zu drehen und Ziele am Himmel anzuvisieren. Danach übernimmt die Feinkontrolle des Teleskops die Korrekturen bei Lageabweichungen während der Beobachtung eines Objekts. Sie besteht aus kleinen Kameras und Interferometern, die Sternpositionen exakt vermessen können. Zuvor muss das Objekt aber bereits recht genau anvisiert sein.
Diese Kreiselkompasse sind bei Hubble mechanische Bauteile(öffnet im neuen Fenster) , die einem gewissen Verschleiß unterliegen. Seitdem das Weltraumteleskop aber nicht mehr vom Spaceshuttle angeflogen wird, sind defekte Kreiselkompasse ein endgültiges Problem und kein Wartungsproblem mehr. Aufgrund der bisherigen Erfahrung wurde geschätzt, dass Hubble wohl zehn Jahre nach der letzten Wartungsmission von 2009 keine drei funktionierenden Kreiselkompasse mehr haben würde.
Der Neustart half nicht
Probleme sind also jederzeit zu erwarten. Diesmal hatten die Betreiber Glück. Nachdem der Ersatzkreiselkompass zunächst falsche Daten lieferte, konnte er inzwischen wiederhergestellt werden. Nach eingehender Analyse entschieden sich die Ingenieure zunächst dafür, den Kompass für eine Sekunde aus- und dann wieder einzuschalten, in der Hoffnung, dass eventuelle Kalibrierfehler der Software so behoben würden.
Nachdem das nicht funktionierte, schüttelten sie ihn kräftig durch - in Form von vergleichsweise großen und abrupten Bewegungen des gesamten Teleskops. Die Vermutung dahinter war, dass der Ersatzkreisel, nachdem er über sieben Jahre nicht benutzt wurde, falsche Daten liefert, weil er sich nicht mehr exakt mittig im Lager befindet oder sich Verunreinigungen im Lager abgesetzt haben. Tatsächlich hatten die großen Bewegungen den gewünschten Erfolg.
Dass solche Technik in dem Teleskop überhaupt verwendet wird, liegt an seinem hohen Alter. Wie vieles in der Raumfahrt ist auch das Hubble Space Telescope ein Produkt des Kalten Krieges. Das Projekt begann 1978, wurde 1985 fertiggestellt, aber der Start verzögerte sich nach dem Challenger-Unglück bis 1990. Die Konstruktion orientierte sich an erprobter Technik aus den Spionagesatelliten der 1970er Jahre. Konkret sollen die KH-11-Kennen-(öffnet im neuen Fenster) Spionagesatelliten als Vorbild gedient haben.
Technik aus den 70er Jahren, aber die Show geht weiter
Spionagesatelliten müssen wegen ihres niedrigen Erdorbits sehr schnell und präzise auf bestimmte Orte auf der Erdoberfläche ausgerichtet werden können und anschließend sowohl ihre Bewegung im Orbit als auch die Erddrehung ausgleichen. Die Technik hat sich im Betrieb bewährt und wurde deshalb auch für das Hubble Space Telescope benutzt. Auf dem heutigen Stand der Technik würden stattdessen wohl nichtmechanische Laserkreisel(öffnet im neuen Fenster) zum Einsatz kommen.
Aber auch ohne die Kreisel gibt es die Möglichkeit zur Bestimmung der Lage des Teleskops im Raum. So können Magnetometer die lokale Stärke und Richtung des Erdmagnetfeldes messen, letztlich ein ganz gewöhnlicher Kompass, nur empfindlicher. Sie dienen nicht nur der Orientierung, sondern vereinfachen auch den Betrieb einer Reihe von Magnetspulen. Mit Hilfe der Magnetspulen kann Hubble wie eine Art elektromagnetische Kompassnadel am Erdmagnetfeld ausgerichtet werden. Die Kraft dafür kommt von außen, was eine wichtige Möglichkeit ist, sich in der Schwerelosigkeit "abzustützen" .
Gelegentlich wird die Geschwindigkeit der Schwungräder bei der Steuerung und dem Ausgleich von Rotationen zu groß. Dann müssen sie wieder abgebremst werden. Ohne Kraft von außen würde das Teleskop dabei außer Kontrolle geraten, denn Hubble hat keinerlei Steuertriebwerke. Außerdem hat Hubble eine Reihe von Sternensensoren, die ebenso zur Lagekontrolle herangezogen werden können - auch wenn deren Steuerelektronik nach heutigem Stand hoffnungslos veraltet ist.
Kaputte Kreiselkompasse können umgangen werden
In den Jahren vor der letzten Servicemission für Hubble fiel schon einmal eine Reihe von Kreiselkompassen aus. Damals wurden Möglichkeiten erarbeitet, wie Hubble mit Hilfe der Sternensensoren und Magnetometer ein oder gar zwei Kreiselkompasse ersetzen kann.(öffnet im neuen Fenster) Der Prozess ist komplizierter und langwieriger als normal. Aber die Systeme der Feinkontrolle haben ausreichend Reserven, um dennoch das Teleskop ruhig auf einem Ziel zu halten und wissenschaftliche Beobachtungen zu ermöglichen.
Mit Hilfe dieser Betriebsmodi gilt es inzwischen als recht unwahrscheinlich, dass Hubble wegen des Ausfalls von Kreiselkompassen vorzeitig den Betrieb einstellen muss. Zuvor wird das Weltraumteleskop wohl der Erde zu nahe kommen. Es konnte vom Spaceshuttle nur in einem niedrigen Erdorbit ausgesetzt werden. Die Restatmosphäre wird in etwa 18 Jahren dafür sorgen, dass der Orbit weiter absinkt und das Teleskop zu tief für wissenschaftliche Beobachtungen fliegt.
Die Erde steht Hubble im Weg
Ohnehin verursacht der niedrige Erdorbit eine Reihe von Problemen. Auf jedem Orbit durchläuft das Teleskop den Erdschatten. Dabei kann nicht nur die Erde den Blick auf das beobachtete Objekt blockieren. Beim Entwurf des Teleskops wurde auch nicht erwartet, dass Wärme- und Kälteschocks dann jedes Mal leichte Schwingungen verursachen, die den Betrieb beeinflussen. Außerdem heizt neben der Sonne auch die Wärmestrahlung der Erde das Teleskop auf. Hohe Temperaturen verhindern aber Beobachtungen in großen Teilen des Infrarotspektrums.
Um wirklich niedrige Temperaturen zu erreichen, müsste ein Teleskop sowohl vor dem Licht der Sonne als auch die Infrarotstrahlung der Erde geschützt werden. Die einfachste Lösung für all diese Probleme ist ein Weltraumteleskop in größerer Entfernung von der Erde, mit einem großen Sonnensegel zum Schutz vor der Sonne. Die Planung für so ein Weltraumteleskop der nächsten Generation(öffnet im neuen Fenster) begann schon zwei Jahre nach dem Start von Hubble. Dessen Fertigstellung ist aber auch 26 Jahre später noch nicht abzusehen.