Spiegel Webb/NASA

Der Hauptspiegel des James Webb-Weltraumteleskops am NASA Goddard. Der Sekundärspiegel ist der runde Spiegel am Ende der langen Ausleger, die in ihre Startkonfiguration gefaltet werden. Webbs Spiegel sind mit einer mikroskopisch dünnen Goldschicht bedeckt, die sie für die Reflexion von Infrarotlicht optimiert, der primären Wellenlänge des Lichts, das dieses Teleskop beobachtet. Foto: NASA/Chris Gunn

Eines der wissenschaftlichen Ziele des James-Webb-Weltraumteleskops ist es, einen Blick zurück in die Zeit zu werfen, als die Galaxien noch jung waren. Webb erreicht dies durch die Beobachtung sehr weit entfernter Galaxien, die über 13 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt sind. Um solch weit entfernte und lichtschwache Objekte sehen zu können, benötigt Webb einen großen Spiegel. Die Empfindlichkeit eines Teleskops oder wie viele Details es sehen kann, hängt direkt von der Größe der Spiegelfläche ab, die das Licht der beobachteten Objekte sammelt. Eine größere Fläche sammelt mehr Licht, genauso wie ein größerer Eimer bei einem Regenschauer mehr Wasser sammelt als ein kleiner.

Die Wissenschaftler und Ingenieure des Webb-Teleskops stellten fest, dass ein Primärspiegel mit einem Durchmesser von 6,5 Metern (21 Fuß 4 Zoll) erforderlich war, um das Licht dieser entfernten Galaxien zu messen. Der Bau eines so großen Spiegels war eine Herausforderung, selbst für den Einsatz am Boden. Ein so großer Spiegel war noch nie zuvor ins All geschossen worden!

Wenn der 2,4-Meter-Spiegel des Hubble-Weltraumteleskops groß genug für Webb skaliert würde, wäre er zu schwer, um ihn in die Umlaufbahn zu bringen. Das Webb-Team musste neue Wege finden, den Spiegel so zu bauen, dass er leicht genug ist – nur ein Zehntel der Masse des Hubble-Spiegels pro Flächeneinheit – und dennoch sehr stabil.

Das Webb-Teleskop-Team beschloss, die Spiegelsegmente aus Beryllium herzustellen, das sowohl stark als auch leicht ist. Jedes Segment wiegt etwa 20 Kilogramm.

Das Webb-Teleskop-Team hat sich ebenfalls dafür entschiedenBauen Sie den Spiegel in Segmenten auf einer zusammenklappbaren Struktur auf , wie die Blätter eines Klapptisches, damit er in eine Rakete passt. Der Spiegel würde sich dann nach dem Start entfalten. Jedes der 18 sechseckigen Spiegelsegmente hat einen Durchmesser von 1,32 Metern (4,3 Fuß), flach bis flach. (Webbs Sekundärspiegel hat einen Durchmesser von 0,74 Metern.)

Die sechseckige Form ermöglicht einen annähernd kreisförmigen, segmentierten Spiegel mit „hohem Füllfaktor und sechszähliger Symmetrie“. Durch den hohen Füllfaktor passen die Segmente lückenlos zusammen. Wenn die Segmente kreisförmig wären, gäbe es Lücken zwischen ihnen. Die Symmetrie ist gut, da für 18 Segmente nur 3 verschiedene optische Verordnungen erforderlich sind, jeweils 6 (siehe Abbildung oben rechts). Schließlich ist eine annähernd kreisförmige Gesamtspiegelform erwünscht, da diese das Licht in den kompaktesten Bereich auf den Detektoren fokussiert. Ein ovaler Spiegel würde beispielsweise Bilder liefern, die in eine Richtung verlängert sind. Ein quadratischer Spiegel würde einen Großteil des Lichts aus dem zentralen Bereich senden.

Jeder Spiegel von Webb hat eine individuelle Bezeichnung. A, B oder C geben an, um welche der drei Spiegelvorschriften es sich bei einem Segment handelt. Die Fotos zeigen die Flugversion jedes Spiegels am Teleskop!

Im Weltraum ist es eine weitere Herausforderung, diese Spiegel richtig auf weit entfernte Galaxien zu fokussieren. Aktuatoren oder winzige mechanische Motoren bieten die Antwort auf die Erzielung eines einzigen perfekten Fokus. Die Primärspiegelsegmente und der Sekundärspiegel werden durch sechs Aktuatoren bewegt, die an der Rückseite jedes Spiegelstücks angebracht sind. Die Hauptspiegelsegmente verfügen außerdem in ihrer Mitte über einen zusätzlichen Aktuator, der ihre Krümmung anpasst. Der Tertiärspiegel des Teleskops bleibt stationär.

Lee Feinberg, Webb Optical Telescope Element Manager bei NASA Goddard, erklärt: „Die Ausrichtung der Primärspiegelsegmente, als wären sie ein einziger großer Spiegel, bedeutet, dass jeder Spiegel auf 1/10.000 der Dicke eines menschlichen Haares ausgerichtet ist. Was noch erstaunlicher ist, ist das.“ Die Ingenieure und Wissenschaftler, die am Webb-Teleskop arbeiteten, mussten buchstäblich erfinden, wie das geht.“

Diese Diagramme zeigen die Rückseite der Spiegel und der Aktuatoren. Bildnachweis: ASU/NASA

Sehen Sie sich in diesem „Behind the Webb“-Video an, wie die Aktuatoren an der Rückseite eines Teleskopspiegels angebracht werden.

Eine weitere Herausforderung besteht darin, Webbs Spiegel kalt zu halten. Um die ersten Sterne und Galaxien im frühen Universum zu sehen, müssen Astronomen das von ihnen abgegebene Infrarotlicht beobachten und ein für dieses Licht optimiertes Teleskop und Instrumente verwenden. Da warme Objekte Infrarotlicht oder Wärme abgeben, würde das schwache Infrarotlicht entfernter Galaxien im Infrarotlicht des Spiegels verloren gehen, wenn Webbs Spiegel die gleiche Temperatur hätte wie der des Hubble-Weltraumteleskops. Daher muss Webb sehr kalt („kryogen“) sein und seine Spiegel haben eine Temperatur von etwa -220 °C (-364 °F). Der Spiegel als Ganzes muss sehr kalten Temperaturen standhalten und seine Form behalten.

Um Webb kalt zu halten, wurde es in den Weltraum geschickt, weit weg von der Erde. Sonnenschutzschirme schützen die Spiegel und Instrumente vor der Sonnenhitze und halten sie vom warmen Raumfahrzeugbus getrennt.

Webb ist ein sogenanntes Drei-Spiegel-Anastigmaten-Teleskop. In dieser Konfiguration ist der Primärspiegel konkav, der Sekundärspiegel konvex und arbeitet leicht außeraxial. Die Tertiärlinse beseitigt den resultierenden Astigmatismus und flacht außerdem die Brennebene ab. Dies ermöglicht auch ein breiteres Sichtfeld.

Diese Animation zeigt, wie Licht durch das Teleskop wandert.

Die NASA machte sich daran, neue Wege zum Bau von Spiegeln für Teleskope zu erforschen. Das Advanced Mirror System Demonstrator (AMSD)-Programm war eine vierjährige Partnerschaft zwischen der NASA, dem National Reconnaissance Office und der US Air Force, um Möglichkeiten zum Bau leichter Spiegel zu untersuchen. Basierend auf den ASMD-Studien wurden zwei Testspiegel gebaut und vollständig getestet. Einer wurde von Ball Aerospace aus Beryllium hergestellt; das andere wurde von Kodak (ehemals ITT, jetzt Harris Corporation) gebaut und bestand aus einer speziellen Glasart.

Ein Expertenteam wurde ausgewählt, um beide Spiegel zu testen, um festzustellen, wie gut sie funktionieren, wie viel sie kosten und wie einfach (oder schwierig) es wäre, einen 6,5-Meter-Spiegel in Originalgröße zu bauen. Die Experten empfahlen aus mehreren Gründen, den Berylliumspiegel für das James Webb-Weltraumteleskop auszuwählen. Einer davon ist, dass Beryllium auch bei kryogenen Temperaturen seine Form behält. Basierend auf der Empfehlung des Expertenteams wählte Northrop Grumman (das Unternehmen, das die Bemühungen zum Bau von Webb leitete) einen Berylliumspiegel aus, und das Projektmanagement bei NASA Goddard stimmte dieser Entscheidung zu.

Ein marmorgroßes Stück Beryllium.

Beryllium ist ein Leichtmetall (Atomsymbol: Be), das viele Eigenschaften aufweist, die es für Webbs Primärspiegel wünschenswert machen. Insbesondere Beryllium ist im Verhältnis zu seinem Gewicht sehr stabil und behält seine Form über verschiedene Temperaturbereiche hinweg gut bei. Beryllium ist ein guter Strom- und Wärmeleiter und nicht magnetisch.

Da Beryllium leicht und stark ist, wird es häufig zum Bau von Teilen für Überschallflugzeuge (schneller als Schallgeschwindigkeit) und das Space Shuttle verwendet. Es wird auch in bodenständigeren Anwendungen wie Federn und Werkzeugen verwendet. Bei der Arbeit mit Beryllium ist besondere Vorsicht geboten, da das Einatmen oder Verschlucken von Berylliumstaub gesundheitsschädlich ist.

Die 18 speziellen leichten Berylliumspiegel des James Webb-Weltraumteleskops machten 14 Stopps an 11 verschiedenen Orten in den USA, um ihre Herstellung abzuschließen. Sie wurden in Berylliumminen in Utah zum Leben erweckt und zogen dann zur Verarbeitung und Politur quer durch das Land. Tatsächlich machten die Spiegel unterwegs Halt in acht Staaten und besuchten einige Staaten mehr als einmal, bevor sie zum Abheben und Beginn ihrer letzten Reise ins All nach Südamerika reisten. Entdecken Sie eine interaktive Karte, die die Reise der Spiegel zeigt.

Das Brush Wellman-Team und die Spiegelrohlinge.

Das Beryllium zur Herstellung von Webbs Spiegel wurde in Utah abgebaut und bei Brush Wellman in Ohio gereinigt. Die besondere Art von Beryllium, die in den Webb-Spiegeln verwendet wird, heißt O-30 und ist ein feines Pulver. Das Pulver wurde in einen Edelstahlbehälter gegeben und in eine flache Form gepresst. Nachdem der Stahlbehälter entfernt worden war, wurde das resultierende Stück Beryllium in zwei Hälften geschnitten, um zwei Spiegelrohlinge mit einem Durchmesser von etwa 1,3 Metern (4 Fuß) herzustellen. Aus jedem Spiegelrohling wurde ein Spiegelsegment hergestellt; Der Vollspiegel besteht aus 18 sechseckigen Segmenten.

Nachdem die Spiegelrohlinge die Prüfung bestanden hatten, wurden sie an Axsys Technologies in Cullman, Alabama, geschickt. Die ersten beiden Spiegelrohlinge wurden im März 2004 fertiggestellt.

Die Vorderseite eines unpolierten Spiegelrohlings.

Axsys Technologies brachte die Spiegelrohlinge in ihre endgültige Form. Der Prozess der Spiegelformung beginnt mit dem Abschneiden des größten Teils der Rückseite des Beryllium-Spiegelrohlings, so dass nur eine dünne „Rippen“-Struktur übrig bleibt. Die Rippen sind nur etwa 1 Millimeter dick. Obwohl das meiste Metall verschwunden ist, reichen die Rippen aus, um die Form des Segments stabil zu halten. Dadurch ist jedes Segment sehr leicht. Ein Berylliumspiegelsegment hat eine Masse von 20 Kilogramm. (Eine vollständige Hauptspiegelsegmentbaugruppe einschließlich Stellantrieb wiegt etwa 40 kg.)

Abgebildet ist die Rückseite des Spiegelrohlings, der in diesem Muster ausgeschnitten ist, um das Spiegelsegment heller zu machen und dennoch seine Integrität zu bewahren. Bildnachweis: Axsys Technologies

Dieser Film zeigt die Spiegelrohlinge, die bei Brush Wellman hergestellt und bei Axsys geformt werden.

Nachdem die Spiegelsegmente von Axsys geformt worden waren, wurden sie nach Richmond, Kalifornien, geschickt, wo SSG/Tinsley sie polierte.

Ein polierter Spiegel im technischen Design bei SSG/Tinsley.

SSG/Tinsley begann damit, die Oberfläche jedes Spiegels bis zur endgültigen Form abzuschleifen. Anschließend wurden die Spiegel sorgfältig geglättet und poliert. Der Vorgang des Glättens und Polierens wurde wiederholt, bis jedes Spiegelsegment nahezu perfekt war. Zu diesem Zeitpunkt reisten die Segmente für kryogene Tests zum Marshall Space Flight Center der NASA in Huntsville (MSFC), Alabama.

Da viele Materialien ihre Form ändern, wenn sie die Temperatur ändern, arbeitete ein Testteam von Ball Aerospace mit NASA-Ingenieuren in Marshalls Röntgen- und Kryoanlage (XRCF) zusammen, um die Spiegelsegmente auf die Temperatur abzukühlen, die Webb im Weltraum erlebt, nämlich -400 °C Grad Fahrenheit (-240 Grad Celsius).

Die kryogenen Tests der Primärspiegelsegmente begannen 2009 bei Marshalls XRCF durch Ball Aerospace.

Die polierten Spiegel von Webb werden in einer Einrichtung der NASA Marshall bei kryogenen Temperaturen getestet.

Sehen Sie sich weitere Bilder der kryogenen Tests an.

Die Veränderung der Spiegelsegmentform aufgrund der Einwirkung dieser kryogenen Temperaturen wurde von Ball Aerospace Engineers mit einem Laserinterferometer aufgezeichnet. Diese Informationen reisten zusammen mit den Spiegeln zurück nach Kalifornien, um die Oberfläche bei Tinsley abschließend zu polieren. Der letzte Schliff der Spiegel wurde im Juni 2011 abgeschlossen.

Dieses kurze Video zeigt einen Teil des Spiegelpolierprozesses.

Erfahren Sie in diesem Video-Podcast „Behind the Webb“ mehr darüber, wie die Spiegelsegmente poliert werden.

Sobald die endgültige Form eines Spiegelsegments um etwaige Abbildungseffekte aufgrund kalter Temperaturen korrigiert ist und das Polieren abgeschlossen ist, wird eine dünne Goldschicht aufgetragen. Gold verbessert die Reflexion des Infrarotlichts durch den Spiegel.

Einige technische Details : Wie wird das Gold auf die Spiegel aufgetragen? Die Antwort ist Vakuumbedampfung. Quantum Coating Incorporated hat die Beschichtungen unserer Teleskopspiegel vorgenommen. Im Wesentlichen werden die Spiegel in eine Vakuumkammer gelegt und eine kleine Menge Gold verdampft und lagert sich auf dem Spiegel ab. Bereiche, die nicht beschichtet werden sollen (wie die Rückseite und alle Mechanismen usw.), werden abgedeckt. Die typische Dicke des Goldes beträgt 1000 Angström (100 Nanometer). Eine dünne Schicht aus amorphem SiO2 (Glas) wird auf das Gold aufgetragen, um es vor Kratzern zu schützen, wenn es berührt wird oder wenn Partikel auf die Oberfläche gelangen und sich bewegen (das Gold ist rein und sehr weich).

In diesem Behind the Webb-Video geht es um die Spiegelbeschichtung.

Fotos von Webbs Spiegeln.

Das von Quantum Coating Incorporated mit Gold beschichtete Primärspiegelsegment (Flugersatzteil) der technischen Designeinheit. Foto von Drew Noel.

Der Sekundärspiegel durchlief einen ähnlichen Prozess – hier ist er, nachdem er von Quantum Coating Incorporated mit Gold beschichtet wurde.

In diesem Video können Sie den Weg des Spiegels vom Roherz bis hin zu präzise reflektierenden, goldbeschichteten Segmenten verfolgen.

Nachdem die Goldbeschichtung aufgetragen worden war, reisten die Spiegel noch einmal zurück zum Marshall Space Flight Center, um die Form der Spiegeloberfläche bei kryogenen Temperaturen abschließend zu überprüfen. Die Spiegelsegmente waren nun fertig. Als nächstes reisten sie zum Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland.

Die ersten beiden Flugspiegel trafen im September 2012 bei NASA Goddard ein. Bis Ende 2013 würden alle Flugprimärspiegelsegmente sowie die Sekundär- und Tertiärspiegel bei Goddard sein. Die Spiegel wurden in speziellen Schutzbehältern im Reinraum aufbewahrt und warteten auf die Ankunft der Flugteleskopstruktur.

Ingenieure inspizieren einen der ersten beiden Flugspiegel, die bei NASA Goddard eintreffen.

Bei Goddard gelagerte Flugspiegelkanister.

Die Flugteleskopstruktur (im Wesentlichen die Knochen des Teleskops, auf denen die Spiegel montiert werden würden) wurde von Northrop Grumman verschifft und kam im August 2015 bei NASA Goddard an. Im November 2015 wurde sie zum Montagestand gebracht. Im November Am 22.02.2015 wurde der erste Spiegel eingebaut.

Hier wird die Flugteleskopstruktur im Reinraum der NASA Goddard angehoben.

Die Flugteleskopstruktur befindet sich im Montagestand bei NASA Goddard und ist bereit für die Spiegelmontage.

Beachten Sie, dass die Spiegel zum Schutz während der Montage mit leichten, schwarzen Abdeckungen versehen waren, die nach der vollständigen Montage des Spiegels entfernt wurden.

Dieses Zeitraffervideo zeigt den Zusammenbau von Webbs Hauptspiegel.

Ein Feature-Video zur Fertigstellung von Webbs Primärspiegel.

Der letzte Spiegel wurde im Februar 2016 eingebaut. Nicht lange danach wurden die Schutzabdeckungen entfernt und der vollständige Spiegel kam zum Vorschein.

Nach Fertigstellung der Spiegel wurden die wissenschaftlichen Instrumente in das Teleskop integriert. Während seines Aufenthalts in Goddard wurde das Teleskop auch Umwelttests – sowohl akustischen als auch vibrationsbedingten Tests – unterzogen, um sicherzustellen, dass es den Strapazen des Starts standhalten würde. Nach erfolgreichem Abschluss wurde das Teleskop zur NASA Johnson nach Houston, Texas, geschickt, um die Optik und Instrumente bei kryogenen Temperaturen zu testen. NASA Johnsons Kammer A ist die einzige thermische Vakuumkammer der NASA, die groß genug für Webb ist!

Sobald das Teleskop die Umlaufbahn erreichte, nahmen Ingenieure auf der Erde Anpassungen/Korrekturen an der Positionierung der Primärspiegelsegmente des Webb-Teleskops vor, um sie in eine Ausrichtung zu bringen – um sicherzustellen, dass sie scharfe, fokussierte Bilder erzeugen würden.

Diese Korrekturen wurden durch einen Prozess namens Wellenfronterkennung und -steuerung vorgenommen, der die Spiegel auf mehrere zehn Nanometer genau ausrichtet. Während dieses Vorgangs maß ein Wellenfrontsensor (in diesem Fall NIRCam) alle Unvollkommenheiten in der Ausrichtung der Spiegelsegmente, die verhinderten, dass sie sich wie ein einzelner 6,5-Meter-Spiegel (21,3 Fuß) verhielten. Ingenieure verwendeten NIRCam, um 18 unscharfe Bilder eines Sterns aufzunehmen – eines von jedem Spiegelsegment. Mithilfe von Computeralgorithmen ermittelten die Ingenieure dann aus diesen Einzelbildern die Gesamtform des Primärspiegels und legten fest, wie sie die Spiegel bewegen müssen, um sie auszurichten.

Dieses Video beschreibt den Spiegelausrichtungsprozess.

Ingenieure testeten diesen Ausrichtungsprozess in der kryogenen Vakuumumgebung der Kammer A im Johnson Space Center der NASA während etwa 100 Tagen kryogener Tests. Die Umgebung der Kammer simuliert die kalte Weltraumumgebung, in der Webb arbeitet und Daten von nie zuvor beobachteten Teilen des Universums sammelt. Im Inneren der Kammer leiteten Ingenieure Laserlicht in das Teleskop hinein und aus diesem heraus und wirkten so wie eine Quelle künstlicher Sterne. Der Test bestätigte, dass das gesamte Teleskop, einschließlich seiner Optik und Instrumente, in dieser kalten Umgebung ordnungsgemäß funktionierte, und stellte sicher, dass das Teleskop im Weltraum ordnungsgemäß funktionieren würde.

Webb sitzt in Kammer A, nachdem die Kryotests abgeschlossen sind.

Nachdem Webb seine Tests bei NASA Johnson bestanden hatte, zogen sie mit seinen Spiegeln nach Northrop Grumman, wo das Teleskop mit der Sonnenblende und dem Raumfahrzeugbus verbunden wurde.