Original-URL des Artikels: https://www.golem.de/news/nasa-ueberambitioniert-ueberteuert-und-in-dieser-form-ueberfluessig-1807-135209.html    Veröffentlicht: 03.07.2018 09:10    Kurz-URL: https://glm.io/135209

Nasa-Teleskop

Überambitioniert, überteuert und in dieser Form überflüssig

Seit 1996 entwickelt die Nasa einen Nachfolger für das Hubble-Weltraumteleskop. Die Kosten dafür stiegen seit dem von 500 Millionen auf über 10 Milliarden US-Dollar. Bei Tests fiel das Prestigeprojekt zuletzt durch lockere Schrauben auf. Wie konnte es dazu kommen?

Eines der großen Versprechen der Raumfahrt war die bessere Beobachtung der Sterne. Nichts stört Astronomen bei der Beobachtung des Weltalls so sehr wie die Atmosphäre, abgesehen von der Tatsache, frei atmen zu können. Die Luft absorbiert den größten Teil des infraroten und ultravioletten Lichts, der Röntgen- und Gammastrahlung. Selbst das Licht, das bis zur Erdoberfläche dringt, wird von der Atmosphäre verzerrt, macht Bilder unscharf und verfälscht Messungen der Helligkeit.

Seit fast 30 Jahren ist das Hubble Space Telescope wohl das bekannteste Weltraumobservatorium. Seit 1994 liefert es gute Daten von Galaxien, Nebeln, Sternen und Planeten - nachdem das defekte Teleskop mit einer Korrekturoptik ausgestattet wurde. Seitdem ist eine Nachfolgemission geplant, das Next Generation Telescope, das schließlich den Namen James Webb Space Telescope (JWST) erhielt. Ursprünglich sollte es mit einem 8-m-Spiegel ausgestattet werden, 300 Millionen Kilometer von der Erde entfernt am Rand des Asteroidengürtel stationiert, für 500 Millionen US-Dollar gebaut und 2007 gestartet werden. Es war eine der krassesten Fehleinschätzungen der Raumfahrt.

JWST und Hubble sind die teuersten Teleskope der Welt

Anschließend wurde der Durchmesser auf 6,5 m reduziert und das Teleskop sollte nurmehr am 1,5 Millionen Kilometer entfernten L2 Punkt stationiert werden. Die Schätzungen des erforderlichen Budgets stiegen trotzdem im Jahr 2003 auf 1,5 Milliarden US-Dollar. Im Jahr 2007, als das Teleskop starten sollte, lag das Budget bei 4,5 Milliarden und das Startdatum im Jahr 2014. Im Jahr 2014 hatte sich das Budget auf 8,8 Milliarden US-Dollar nochmals fast verdoppelt, das Jahr des Starts verschob sich auf 2018. Das JWST ist inzwischen fertig gebaut, aber nach missglückten Tests wurde der Start immer wieder verschoben.

Nun gab die Nasa bekannt, dass das Teleskop frühestens 2021 starten wird und das Budget bei 9,6 Milliarden US-Dollar steht - zuzüglich etwa 0,5 Milliarden US-Dollar in Form des Starts mit einer Ariane 5 Rakete und anderer Beiträge internationaler Partner. Um den Zeitplan zu halten, sollen Empfehlungen aus einem unabhängigen Untersuchungsbericht umgesetzt werden.

Das JWST macht damit dem Hubble-Weltraumteleskop bereits am Boden den Rang als teuerstes Teleskop aller Zeiten streitig. Dabei gehen Hubbles Kosten in Höhe von rund 10 Milliarden US-Dollar vor allem auf die teuren Space-Shuttle-Missionen zurück, mit denen das Teleskop gestartet und gewartet wurde. Jeder der fünf Flüge kostete 1,5 Milliarden US-Dollar. Diese Flüge allein hätten jeweils ein eigenes großes Weltraumteleskop finanzieren können.

Eine Kostenexplosion beim JWST war dabei von Anfang an absehbar, allein aus der Beschreibung des Projekts. Der 6,5 m große Spiegel aus 18 Segmenten soll Beobachtungen bis 600 Nanometer Wellenlänge möglich machen. Damit muss die Form des Spiegels auf 75 Nanometer genau den Vorgaben entsprechen, sonst wird die Abbildung unscharf. Und darin allein besteht noch nicht einmal das Problem. Der Schliff von optischen Spiegeln mit noch höherer Genauigkeit ist längst üblich und es wurden auch schon mehrere zusammengesetzte Spiegel für Teleskope am Boden gebaut. Seit 1993 wurden auf der Erde 17 Teleskope mit Spiegeln über 6,5 m gebaut, kleinere noch viel häufiger.

Was nicht in die Rakete passt, wird passend gemacht

Aber das JWST soll an Bord einer Rakete ins All fliegen. Derzeit erlauben die größten Raketen aber nur den Start von Nutzlasten mit knapp über 5 m Durchmesser. Ein vernünftiges Vorgehen wäre es nun gewesen, die Ambitionen im Zaum zu halten und sich auf 4 m bis 4,5 m Spiegeldurchmesser zu beschränken, so dass der Spiegel vollständig in die Nutzlastverkleidung der Rakete passt. Eine deutliche Steigerung im Vergleich zu den 2,4 m von Hubble.

Eine weitere vernünftige Lösung wäre die Entwicklung einer größeren Nutzlastverkleidung gewesen. Das Teleskop soll mit einer Ariane 5 Rakete gestartet werden, die selbst einen Durchmesser von 5,4 m hat. Der Bau einer 7,5 m großen Nutzlastverkleidung ist durchaus machbar. Zum Vergleich: Die Falcon 9 hat einen Durchmesser von 3,7 m und eine Nutzlastverkleidung von 5,2 m. Das hätte den zusätzlichen Nutzen gehabt, dass Satellitenbauer und andere Missionen die gleiche Technik hätten ausnutzen können.

Stattdessen wählte die Nasa eine unvernünftige Lösung. Der Spiegel des JWST besteht aus 18 Elementen, die erst nach dem Start mit einer Präzision von unter 75 Nanometern ohne menschliche Eingriffe in 1,5 Millionen Kilometern Entfernung zur Erde zu ihrer endgültigen Form zusammengesetzt werden. Die technischen Herausforderungen dabei sind groß, aber nicht unüberwindlich. Aber die Technik ist im Weltall gänzlich unerprobt und sollte mit dem JWST sofort in Rekordgröße umgesetzt werden.



Übertriebene Ambitionen grenzen an Dummheit

Der Bau eines Rekordteleskops ohne vorherige Prototypen hat nichts mit technischen Ambitionen zu tun, sondern grenzt an Dummheit. Die Nasa rühmt sich zwar im Untersuchungsbericht mit den "Nasa Firsts", dem ersten Mal, dass diese Techniken benutzt wurden. Aber die Erprobung neuer Technologien erfolgt überall auf der Welt aus gutem Grund zunächst in Form von Demonstratoren und Modellen. Eine neue Technologie wird zuerst in einem einfachen Gerät mit geringstmöglichem Aufwand entwickelt, gebaut und eingesetzt, um Erfahrung zu sammeln. Ohne die Erfahrung ist der Bau ein technologischer Blindflug, der keinesfalls geplant werden kann. Mögliche Probleme lauern überall, aber noch niemand weiß, wo genau.

Der aktuelle Untersuchungsbericht selbst empfiehlt, dass für Verpackung und Transport des Teleskops Modelle gebaut werden, um mögliche Probleme im Voraus zu erkennen. Auch für das Space Shuttle wurden solche Modelle gebaut, es ist ein durchaus normales Vorgehen. Um so frappierender ist es, dass für die wirklich komplizierte Technik des Teleskops selbst keine Prototypen gebaut wurden und die Nasa sogar stolz darauf ist, sie gleich in dieser Größe zum ersten Mal umzusetzen.

Spiegel und Hitzeschutz sind reine Prototypen

Bis heute wurde nie auch nur ein Weltraumteleskop mit segmentiertem Spiegel gestartet. Also einem Spiegel aus mehreren Teilen, der fertig montiert gestartet wird und im Weltall nur feinjustiert werden muss. Das wäre der logische erste Schritt gewesen. Ein erster Prototyp hätte etwa nur aus den sechs inneren Spiegelelementen des JWST mit dem jeweils halben Durchmesser bestehen können. Der Aufwand hätte sich auf einen Bruchteil des JWST beschränkt und das Resultat wäre dennoch ein 2-m-Teleskop gewesen, das allein schon wertvolle wissenschaftliche Arbeit hätte leisten können.

Gleichzeitig hätte der Mechanismus des Sonnenschirms getestet werden können, der das Teleskop abkühlen soll und es so überhaupt erst für die Beobachtung von Wärmestrahlung tauglich macht. Auch dieser Schirm ist ein Nasa First, der gleich 21 m lang und 14 m breit gebaut werden soll. Bei Tests dieses großen Schirms am Boden gab es immer wieder Probleme und zuletzt sogar Risse im Material. Als Grund wird menschliches Versagen genannt. Ohne den Schirm würde das Teleskop selbst die Strahlung abgeben, die beobachtet werden soll.

Ohne den Schirm wären Infrarotbeobachtungen wie der Versuch, schwaches Sternenlicht mit bloßem Auge in einem Teleskop zu beobachten, das mehrere tausend Grad heiß ist und wie der Draht einer Glühbirne selbst hell glüht. Schon das kleine Prototypenteleskop hätte im Infraroten die 10-fache Empfindlichkeit von Hubble gehabt, denn die angepriesene 100-fachen Steigerung des JWST kommt nur zum Teil durch den größeren Spiegeldurchmesser zustande.

Ein Prototyp hätte einen Bruchteil des JWST gekostet

Der Prototyp hätte heute bereits seit 15 bis 20 Jahren wissenschaftliche wie technische Daten liefern können und dabei wohl weniger gekostet als die 800 Millionen US-Dollar, um die die Kosten des JWST allein seit der letzten Schätzung von 2017 gestiegen sind. Die Erfahrung aus dem Bau eines solchen Prototypen hätte dann ein realistischeres Bild von Aufwand und Kosten des Baus eines größeren Teleskops vermittelt. Zusätzlich hätten die beteiligten Menschen an praktischer Erfahrung gewonnen und schon vor dem Bau eines noch größeren Teleskops gewusst, welche Fehler wie zu vermeiden sind, die der Bericht jetzt auf fehlende Disziplin, Moral und Training schiebt.

Kosten unter einer Milliarde US-Dollar sind für den Prototypen durchaus realistisch. Das europäische Herschel-Weltraumobservatorium war mit einem 3,5 m großen Spiegel das größte Weltraumteleskop aller Zeiten. Mit einem Budget von 1,1 Milliarden Euro (1,26 Milliarden Dollar) lieferte die Mission von 2009 bis 2013 erfolgreich wertvolle wissenschaftliche Daten im fernen Infrarotbereich und wurde bald von der Öffentlichkeit vergessen. Das Ende der Mission war unvermeidlich, weil die Messinstrumente mit einem Vorrat von flüssigem Helium gekühlt werden mussten, der letztlich erschöpft war.

Auf eine erfolgreiche Mission kann nur gehofft werden

Der erste Prototyp des JWST hätte dann entweder dazu geführt, dass ein weiterer Prototyp mit dem Faltmechanismus des Hauptspiegels entwickelt wird, oder zu der Einsicht, dass darauf besser verzichtet werden sollte. In beiden Fällen wären Milliardenbeträge im Nasa-Budget frei und eine realistische Planung überhaupt erst möglich geworden. Die Fehler sind die gleichen wie bei der Entwicklung des 100 Tonnen schweren Space Shuttle, für das niemals ein kleinerer Prototyp gebaut wurde und letztlich durch unerwartete Probleme an den hochkomplexen Triebwerken, dem kleinteiligen Hitzeschutz und dem Zusammenspiel mit den anderen Systemen zu teuer wurde und scheiterte.

Stattdessen ist das JWST über 10 Jahre nach dem geplanten Start noch immer am Boden und 2021 gilt auch nur als der frühest mögliche Zeitpunkt des Starts. Wegen der fehlenden Erfahrung kann auch nur gehofft werden, dass die komplizierte Technik wie geplant funktioniert. Ein Scheitern der Mission wäre den beteiligten Menschen indessen kaum vorzuwerfen. Fehler sind menschlich und ihnen wurde nicht die Gelegenheit gegeben, sie vorher zu finden.  (fwp)


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