Sofia: Der fliegende Blick durch den Staub

Sofia ist ein fliegendes Teleskop, das das DLR zusammen mit der Nasa betreibt. Derzeit wird die umgebaute Boeing 747 in Hamburg generalüberholt. Golem.de durfte einen Blick in das ausgeweidete Flugzeug werfen.

15. August 2014 um 12:00 Uhr / Von Werner Pluta

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Forschungsflieger Sofia: noch 20 Jahre fliegen (Bild: C. Thomas/Nasa) — Forschungsflieger Sofia: noch 20 Jahre fliegen Bild: C. Thomas/Nasa

Säßen in dieser Boeing Passagiere, würden sie sich wundern: Statt auf das Rollfeld hinunterzuschauen, fiele ihr Blick auf die Bäuche von Menschen, die vor ihrem Fenster vorbeigingen. Allerdings sitzt in diesem Flieger niemand.

Sofia – fliegende Sternwarte von DLR und Nasa (06:59)

Schon im Normalfall nicht: Die Clipper Lindbergh fliegt nämlich schon lange keine Passagiere mehr von A nach B. Zwischen 1997 und 2007 wurde das Flugzeug von der US-Raumfahrtbehörde National Aeronautics and Space Administration (Nasa) und dem Deutschen Forschungszentrum für Luft- und Raumfahrt(öffnet im neuen Fenster) zu einem Forschungsflugzeug umgebaut. Das Stratosphären-Observatorium für Infrarot-Astronomie(öffnet im neuen Fenster) , kurz Sofia, ist ein fliegendes Teleskop, mit dem Forscher in über 10 Kilometern Höhe die Sterne beobachten.

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Ehrenrunde über Fuhlsbüttel

Seit dem 28. Juni 2014 ist das Forschungsflugzeug in der Obhut von Lufthansa Technik(öffnet im neuen Fenster) (LHT) in Hamburg. Für die Ankunft hatten sich DLR und Nasa etwas Besonderes ausgedacht: ein Fly-By-Manöver(öffnet im neuen Fenster) . Die Maschine fuhr das Fahrwerk aus und setzte zur Landung an. Kurz vor dem Aufsetzen startete der Pilot noch einmal durch und drehte noch eine Runde über dem Flughafen Fuhlsbüttel. Erst dann landete er.

Bild 1/25: 28. Juni 2014: Sofia ist auf dem Hamburger Flughafen für den D-Check eingetroffen. (Foto: Jan Brandes/Lufthansa Technik)

Bild 2/25: Sofia eine eine zum Forschungsflugzeug umgebaute Boeing 747SP, die in Kalifornien stationiert ist. (Foto: Nasa)

Bild 3/25: Sofia ist eine zum Forschungsflugzeug umgebaute Boeing 747SP, die in Kalifornien stationiert ist. (Foto: Nasa)

Bild 4/25: Im Rumpf ist ein Infrarot-Telekop eingebaut, mit dem Forscher in 12 Kilometern Höhe den Himmel beobachten. (Foto: C. Thomas/Nasa)

Bild 6/25: Hinter dem Tor, das wird um den Rumpf herum aufgefahren wird, sitzt das Teleskop. (Foto: Tony Landis/Nasa)

Bild 7/25: Hinter dem Tor, das um den Rumpf herum aufgefahren wird, sitzt das Teleskop. (Foto: Tony Landis/Nasa)

Bild 8/25: Es ist an einem schweren Druckschott aufgehängt. (Foto: Tony Landis/Nasa)

Bild 9/25: Das Schott trennt die Teleskop-Cavity von der Kabine, in der sich Mannschaft und Wissenschaftler aufhalten. (Foto: Tom Tschida/Nasa)

Bild 10/25: Derzeit wird das Stratosphären-Observatorium für Infrarot-Astronomie in Hamburg generalüberholt. (Foto: Werner Pluta/Golem.de)

Bild 11/25: Betrieben wird das Forschungsflugzeug vom DLR und der Nasa. (Foto: Werner Pluta/Golem.de)

Bild 12/25: Die Form des Rumpfes wurde für das Tor verändert - damit kein Ton wie bei einer Querflöte entstehe, sagt Heinz Hammes vom DLR. (Foto: Werner Pluta/Golem.de)

Bild 13/25: Nicht auf den ersten Blick erkennbar: Das Gerüst umhüllt das Seitenleitwerk. (Foto: Werner Pluta/Golem.de)

Bild 14/25: Die Boeing 747 lagert auf einem Gerüst. (Foto: Werner Pluta/Golem.de)

Bild 15/25: Denn das Fahrwerk ist abmontiert, ebenso die Triebwerke. (Foto: Werner Pluta/Golem.de)

Bild 16/25: Drinnen ist alles ausgeräumt. (Foto: Werner Pluta/Golem.de)

Bild 17/25: Sie hätten abgemacht, was man abgemacht werden könne, sagt Andreas Britz von Lufthansa Technik. (Foto: Werner Pluta/Golem.de)

Bild 18/25: Sie hätten abgemacht, was abgemacht werden könne, sagt Andreas Britz von Lufthansa Technik. (Foto: Werner Pluta/Golem.de)

Bild 19/25: Sogar das Cockpit wurde ausgeräumt - dort muss ein Spant ausgetauscht werden. (Foto: Werner Pluta/Golem.de)

Bild 20/25: Im Rumpf: Hinter dem Gerüst ist das Druckschott zur Cavity zu erkennen. Es ist die runde blaue Struktur. (Foto: Werner Pluta/Golem.de)

Bild 21/25: Das Teleskop - das "Allerheiligste des Sofia-Observatoriums", sagt Alfred Krabbe vom Deutschen Sofia Institut (Foto: Werner Pluta/Golem.de)

Bild 22/25: Blick von innen auf das Schiebetor. (Foto: Werner Pluta/Golem.de)

Bild 24/25: Die Arbeiten sollen bis Mitte November 2014 andauern . Danach soll Sofia wieder fast wie neu sein. (Foto: Nasa)

Gerade wird die fliegende Sternwarte einem sogenannten D-Check(öffnet im neuen Fenster) unterzogen, einer Grundüberholung, bei der sämtliche Komponenten des Flugzeugs eingehend überprüft werden. "Wir zerlegen den Flieger so ziemlich in seine Einzelteile, bis auf das Gerüst" , erzählt Andreas Britz, LHT-Projektmanager für die Generalüberholung der Sofia, im Gespräch mit Golem.de in einem Hangar auf dem Flughafengelände.

Schutz vor Vogeldreck

Die Boeing 747SP steht neben einem Airbus A330-300 und einer zweiten Boeing 747. Strenggenommen steht das Flugzeug gar nicht. Es liegt auf einem Gerüst. Das Fahrwerk fehlt, es steht neben der Maschine und den ebenfalls abmontierten Triebwerken. Um das Flugzeug verläuft ein Gerüst, etwa einen Meter unterhalb der Bullaugen. Über die Oberseite des Rumpfes ist eine Plane gebreitet, die das Flugzeug vor Vogeldreck schützen soll, in der Fachsprache Bird Poo Protection(öffnet im neuen Fenster) oder BP genannt. Erst beim zweiten Hinsehen findet der Blick inmitten des silbern glänzenden Gerüsts über dem Heck das Seitenleitwerk.

Drinnen sieht ist es nicht besser aus: In diesem Flugzeug sitzt derzeit niemand – es gibt keine Gelegenheiten, um darauf Platz nehmen. Ja nicht einmal mehr einen Boden, um darauf zu laufen. Kein weißer Kunststoff mehr an den Wänden. Stattdessen liegt das bloße Gerüst des Flugzeugs frei. Laufplanken sind auf den Boden gelegt. Von den Seitenwänden baumeln Kabel oder verlaufen in armdicken Bündeln an der Innenseite der Kabine entlang. Über dem Kopf sind die Stahlseile sichtbar, die Leitwerke und Landeklappen bewegen. Die vorherrschende Farbe ist das Grün des Korrosionsschutzes. Überall steht Arbeitsgerät herum.

"Alles, was man abmachen kann, haben wir abgemacht" , resümiert Britz. Und dabei einiges gefunden.

Betagter Flieger

Über 1.100 Beanstandungen waren bis Anfang der Woche zusammengekommen: Schäden durch Korrosion etwa, altersbedingte Ermüdungsrisse in der Struktur, die Aufhängung einer Kabinentür war ausgeschlagen. Und Britz ist sich sicher, dass bis zum Ende der Inspektion noch weitere Mängel hinzukommen werden.

Allerdings ist die Boeing 747SP auch schon recht betagt: Sie wurde 1977 für die längst bankrotte US-Fluggesellschaft Pan American World Airways (Pan Am) gebaut. Unter dem Namen Clipper Lindbergh – Pan Am nannte alle ihre Jumbos Clipper – flog sie lange im Linienbetrieb, wurde stillgelegt und 1997 von der Nasa übernommen. Inzwischen trägt sie wieder – feierlich getauft vom Enkel des Namensgebers, des US-Flugpioniers Charles Lindbergh – ihren alten Namen.

Nachfolger für KAO

Sofia ist die Nachfolgerin des Gerard P. Kuiper Airborne Observatory(öffnet im neuen Fenster) (KAO), das die Nasa von 1974 bis 1995 im Einsatz hatte. Als das KAO, das einen kleineren Spiegel hatte als Sofia, Mitte der 1990er Jahre veraltet war, entstand die Idee, einen Nachfolger zu bauen. Nicht zuletzt waren auch deutsche Wissenschaftler, die das KAO genutzt hatten, daran interessiert, und so kam es schließlich zu der Kooperation von Nasa und DLR.

Die Nasa hat das Flugzeug gestellt und zu einem Forschungsflugzeug umgebaut. Das DLR hat das Teleskop entwickelt und eingebaut. Außerdem beteiligen sich die Deutschen an den Betriebskosten für den Forschungsflieger. Allerdings schien es zeitweise nicht gut bestellt um dessen Zukunft: Das Projekt war von Kürzungen im US-Staatshaushalt bedroht. Inzwischen sieht es aber so aus, dass die US-Regierung die Mittel für den Betrieb der umgebauten Boeing bereitstellen wird.

SP-Spezialisten

Das SP steht für Special Performance – dieser Typ ist etwa sechs Meter kürzer und damit leichter als eine herkömmliche Boeing 747. Gedacht waren diese Maschinen für sehr lange Strecken. Nur 15 dieser ohnehin seltenen Flieger sind noch in Betrieb – und viele werden in Hamburg gewartet. Deshalb ist auch Sofia hier.

Außergewöhnliche Flugzeuge sind sie bei LHT in Hamburg gewohnt. Normalerweise werden hier Verkehrsflugzeuge für die Bedürfnisse ihrer sehr reichen Besitzer umgebaut – etwa mit Bad oder Schlafzimmer ausgestattet. Aber der Forschungsflieger mit dem Teleskop und dem Loch im Heck sei schon einzigartig. "Das zu kontrollieren und zu überholen, ist schon eine Riesenherausforderung für uns" , gibt Britz zu.

Derzeit ist es allerdings schwierig, sich überhaupt auszumalen, wie es in Sofias Innerem aussieht.

Sofias Innenleben

Selbst das Cockpit im Wulst über der Nase ist ausgeräumt. Das sei nötig gewesen, weil sie dort einen Riss in einem Spant gefunden hätten, erzählt Britz. Für den Austausch müsse Platz geschaffen werden.

Im Rumpf – dort, wo früher die Passagiere saßen – haben Flugleiter und Operatoren normalerweise jeweils eine eigene Arbeitskonsole. An einer dritten Konsole nehmen die Forscher Platz. Auf deren Bildschirmen kommen die Daten vom Teleskop an. Dazu kommen einige Arbeitstische, unter anderem für die Gäste.

Keine Flötentöne

Dahinter sitzt das Teleskop. Dafür ist ein Bereich des Rumpfes abgeteilt, der die ganze Höhe des Rumpfes einnimmt, die Cavity. Dort sind Decke und Boden entfernt worden. Außerdem ist ein Teil des Rumpfes herausgeschnitten, damit das Teleskop nach draußen schauen kann. Er wird mit einem Tor verschlossen, das um den Rumpf herumgleitet, wenn es geöffnet wird. Dafür musste der Rumpf leicht verändert werden: Er bekam einen kleinen Wulst, damit die Luft das Tor umströmen kann. Das sei notwendig, damit es zu keinen Verwirbelungen kommt und um zu verhindern, "dass wie bei einer Querflöte ein Ton entsteht" , sagt Heinz Hammes, stellvertretender Sofia-Projektleiter beim DLR.

Nun ist es normalerweise nicht vorgesehen, dass zehn Kilometer über dem Boden ein Flugzeug aufgemacht wird – dort oben ist es etwa 35 Grad unter null, der Luftdruck beträgt 264,42 Hektopascal, etwa 15 Prozent des Luftdruck auf Meereshöhe – und das auch noch auf der Fläche von etwa 4 x 6 Metern. Das Teleskop sei durch ein schweres Druckschott von der Kabine, in der sich die Besatzung aufhalte, getrennt, erzählt Hammes. Die etwa 50 Zentimeter dicke Hohlkonstruktion erfüllt dabei noch eine weitere Funktion: Sie trägt auch das Teleskop.

Eine Hantel für Astronomen

Die 17 Tonnen schwere Konstruktion ist wie eine Hantel mit zwei Gewichten aufgebaut: der optischen Einrichtung mit den Spiegeln auf Seite der Cavity und der Steuerung und der Instrumentenflansch auf der Kabinenseite. In der Mitte ist die Hantel mit einem hydrostatischen Öllager, einer 1,2 Meter großen Kugel, am Schott aufgehängt. Stabilisiert wird sie mit mehreren Systemen: Die Schwingungen des Flugzeuges werden durch Stoßdämpfer ausgeglichen, ähnlich denen, die in Lkws eingesetzt werden. Hinzu kommen ein Gyroskop und drei Positionssensoren, die Schwingungen erkennen und mehrere Motoren so steuern, dass diese das Teleskop ruhig halten.

Weitere Herausforderung: Das Teleskop verschiebt den Schwerpunkt der Boeing 747 weit nach hinten. Es braucht also vorne einiges Gegengewicht. Dort seien die Einbauschränke mit der Elektronik sowie die Aggregate für die Stromversorgung untergebracht. Außerdem gebe es im Bug eine massive Stahlplatte. Das alles funktioniert offensichtlich sehr gut: "Die Piloten sagen, sie fliegt sich wie eine normale 747" , erzählt der DLR-Mitarbeiter.

Das Teleskop, sagt Alfred Krabbe, Leiter des Deutschen Sofia Instituts(öffnet im neuen Fenster) (DSI), sei "das Allerheiligste des Sofia-Observatoriums" .

Das Herz von Sofia

Für das Gespräch mit Golem.de hat sich Krabbe unten in das Teleskop gezwängt und steht auf dem Boden der Cavity – bei einer normalen Boeing 747 ist das der Frachtraum, wo das Gepäck der Reisenden lagert. Dieser Bereich ist sonst nicht zugänglich. Der Primärspiegel des Teleskops, erzählt er, habe einen Durchmesser von 2,7 Metern. Er fange das Licht der Sterne ein und reflektiere es auf den Sekundärspiegel, der von einem Gerüst aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff gehalten wird. Der Sekundärspiegel wirft das Licht auf den Tertiärspiegel, der es auf die Instrumente weiterleitet, die es analysieren. Viel zu sehen ist jedoch nicht: Während der Arbeiten an Sofia ist der Primärspiegel zum Schutz abgedeckt.

Sofia ist für die Infrarot-Astronomie gedacht. Von dieser Strahlung kommt nur sehr wenig durch den Wasserdampf in der Atmosphäre. Deshalb operiert Sofia oberhalb der Troposphäre, wo es kaum noch Wasserdampf gibt. Sieben verschiedene Instrumente stehen zur Verfügung: drei Kameras für verschiedene Infrarotbereiche sowie vier Spektrometer für eine höhere spektrale Auflösung. Der Infrarotbereich sei so groß, dass mehrere Kameras und Spektrometer nötig seien, um alles abdecken zu können, sagt der Astronom. Zum Einsatz kommt immer nur eines. Zusätzlich kann eine optische Hochgeschwindigkeitskamera an das Teleskop angebaut werden, mit der Bedeckungen beobachtet werden.

Entstehung von Sternen und Planeten

Ein Schwerpunkt ist etwa die Beobachtung von Exoplaneten, ein anderer die Beobachtung von Staub- und Gaswolken, aus denen sich neue Sterne bilden(öffnet im neuen Fenster) . Es gebe zwar Theorien darüber, wie neue Himmelskörper entstünden. Verstanden sei das aber nicht. "Dieser Staub hat normalerweise die unschöne Eigenschaft, dass man nicht hindurchgucken kann" , erklärt Krabbe. "Aber dieser Staub ist so klein, dass das infrarote Licht durchgeht, und dann können wir durch den Staub durchschauen auf das, was dahinter ist."

Warum aber ein Flugzeug so aufwendig umbauen statt einfach ein Weltraumteleskop in den Orbit schießen? Solche Teleskope seien durchaus erfolgreich, sagt Krabbe. Aber sie haben auch Nachteile: Einmal ins All geschossen, kann nichts mehr verändert werden. Die Ausstattung kann nicht gewechselt werden, Instrumente und Elektronik altern, das Helium, das zum Kühlen benötigt wird, ist irgendwann aufgebraucht – und das bedeutet das Ende des Weltraumteleskops.

Sofia hingegen bietet mehr Flexibilität. Die Instrumente können passend für das jeweilige Forschungsprojekt ausgewählt werden. Sind sie veraltet, können sie überarbeitet oder durch modernere ersetzt werden. Auch das Kühlmittel ist kein Problem: Es wird nach der Landung einfach nachgefüllt – und auf geht's zur nächsten Mission.

Und wie läuft so eine Mission ab?

Vier Flüge pro Woche

Zwei bis drei Mal in der Woche startet Sofia zu einer Forschungsmission – geplant sind künftig vier Flüge pro Woche. Rund zehn Stunden dauert eine Spähmission in die Milchstraße oder in andere Regionen des Universums.

Geflogen wird meistens vom Dryden Flight Research Center im Süden des US-Bundesstaates Kalifornien aus, wo Sofia stationiert ist. Aber nicht ausschließlich: "Wir können auch – und das ist der große Vorteil von Sofia – jederzeit überall hin auf der Welt fliegen" , sagt Hammes. Etwa zu einem Ort, wo ein astronomisches Ereignis besser sichtbar ist: Eine Verdeckung des ehemaligen Planeten Pluto etwa wurde weit über dem Pazifik beobachtet. Im Sommer wird Sofia auch schon mal für einige Zeit nach Neuseeland verlegt, um den Südhimmel zu betrachten, wenn dort die Winternächte lang sind.

Besatzung, Wissenschaftler, Gäste

20 bis 30 Personen sind bei einem Sofia-Flug an Bord: Vier Mann fliegen das Flugzeug. Hinzu kommt eine etwa zehnköpfige Besatzung: der Missionsleiter und ein Flight Planner, der etwa im Fall von schlechtem Wetter die Flugstrecke ändert, sowie die Operatoren, die das Teleskop bedienen. Sechs bis acht Wissenschaftler sind dabei, die die Experimente betreuen und Daten sammeln – wobei ein Forscher für seine Beobachtungen nicht notwendigerweise an Bord sein muss. Flugangst ist also kein Ausschlusskriterium für die Nutzung von Sofia. Schließlich nimmt Sofia auch Gäste mit, Lehrer etwa oder Journalisten.

Gut eine halbe Stunde steigt die Boeing 747SP zunächst. In 10.000 bis 11.000 Metern Höhe wird die Tür an der Backbordseite des Rumpfes zur Seite gefahren und gibt den Blick auf den Himmel frei. Für die Beobachtung steigt die Maschine noch etwas höher, auf etwa 11.500 Meter bis 13.400 Meter. Eine halbe Stunde dauert es, das Teleskop zu kalibrieren. Dann kann es losgehen.

Acht Stunden Sterne gucken

Eine Kamera macht eine Aufnahme des Himmels, eine Software bestimmt durch Auswertung des Bildes die Ausrichtung des Teleskops, und dieses kann dann auf das erste Ziel eingestellt werden. Acht Stunden stünden dann für Beobachtungen zur Verfügung, und es gelte, diese Zeit für möglichst viele gute Messungen zu nutzen, sagt Krabbe. Danach wird die Tür geschlossen und nach einer halben bis dreiviertel Stunde landet Sofia wieder.

Für Beobachtungszeit können Forscher sich bewerben: Einmal im Jahr gibt es eine Ausschreibung, bei der Forscher ihre Projekte einreichen können. Zwei Komitees, eines in Deutschland und eines in den USA, wählen daraus die interessantesten aus. Aus dieser Auswahl werden dann die Flugpläne erstellt.

Anfang Dezember 2010 hat Sofia den ersten Wissenschaftsflug absolviert – und seither gab es auch schon einige interessante Ergebnisse.

Weiser durch Sofia

So haben Forscher erstmals die Moleküle Schwefelhydrid (SH) und deuteriertes Hydroxyl-Radikal (OD) im interstellaren Medium nachgewiesen(öffnet im neuen Fenster) . Diese spielen eine wichtige Rolle in der interstellaren Chemie.

"Die ganze Schwefelchemie kannte man bislang noch gar nicht. Jetzt hat man mit Sofia das erste Schwefelwasserstoffmolekül – das ist SH, nicht H2S, wie man es normalerweise kennt – gefunden und kann darauf aufbauend die nächsten Schritte einer bestimmten chemischen Kette durchgehen, um zu sehen, was sich daraus bildet" , erklärt DSI-Leiter Krabbe.

Erkenntnisse zur Geburt neuer Sterne

Zudem sei es gelungen, mit Sofias Teleskop den gigantischen Staubring – er hat einen Durchmesser von etwa sieben Lichtjahren – um das schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße zu durchdringen(öffnet im neuen Fenster) . Dort gibt es eine Reihe junger Sterne, deren Entstehung noch nicht geklärt ist. "Wir haben da im Frühjahr Messungen gemacht, die wir jetzt auswerten müssen. Wir hoffen, dass wir da neue Aussagen bekommen."

Um Sternentstehung ging es auch bei der Beobachtung des Orion-Nebels(öffnet im neuen Fenster) . Dort ging es darum, ob die Entstehung von Sternen die Entstehung weiterer in der Nachbarschaft anregt. "Sternenentstehung könnte ansteckend sein – und wir möchten gern wissen, wie die Ansteckungsrate ist. Dazu gibt es jetzt Daten."

Bis Herbst in Hamburg

Erst einmal gibt es keine neuen Daten: Gut vier Monate soll die Überholung dauern. Sofia wird also noch gut zweieinhalb Monate lang in den Händen der LHT-Techniker bleiben. Ende Oktober, Anfang November soll das Flugzeug fertig sein, sagt LHT-Projektmanager Britz. "Und es ist dann wieder fast wie neu." Nach abschließenden Tests soll Sofia Mitte November wieder zurück nach Kalifornien fliegen.

Dass das Forschungsflugzeug wieder nach Hamburg zurückkehren wird, ist durchaus wahrscheinlich. Denn, erklärt DLR-Mitarbeiter Hammes: "Wir wollen noch 20 Jahre fliegen."

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