Pannen in der Raumfahrt – Hubble Space Telescope

Das Weltraumteleskop Hubble war eines der Prestigeprojekte der NASA in den Siebziger und Achtziger Jahren. Schon vorher hatte die NASA astronomische Satelliten gestartet, so die OAO Serie (Orbiting Astronomy Observatory). Diese setzen aber relativ kleine Teleskope ein. Sie lieferten vor allem Spektren und arbeiteten in Spektralbereichen, die vom Erdboden aus nicht zugänglich waren.

Ein großes optisches Teleskop war lange Zeit nicht nur technisch schwer umzusetzen, es fehlte auch die Technologie es sinnvoll nutzen zu können. Bis in die Siebziger Jahre war das leistungsfähigste Medium um Abbildungen zu gewinnen der fotografische Film – die USA starteten zum Beispiel bis 1986 noch Satelliten mit Film der in Rückführkapseln nach der Belichtung zur Erde geschickt wurde. Film verbraucht sich aber und so wäre ein großes Teleskop ohne Service nutzlos. Der einzige mir bekannte Vorschlag für ein Großteleskop vor dem HST war so auch der im Rahmen des Apollo-Application Programms, wo man die Zelle eines Mondlander so umbauen wollte, das der Boden durch den Hauptspiegel eines Teleskops ersetzt wurde und Astronauten dann im dortigen Primärfokus Fotoplatten auswechseln sollten.

Mit der Erfindung des CCD 1969 der ab 1976 in den KH-10 Satelliten eingesetzt wurde, rückte die Verwirklichung eines Weltraumteleskops aber in eine neue Phase. CCD hatten anfangs eine Quantenausbeute von 35 Prozent, das war rund 70-mal besser als fotografischer Film und sie verbrauchten sich nicht.

Lyman Spitzer setzte sich in den USA für ein Weltraumteleskop ein und konnte schließlich die NASA auch überzeugen eines zu bauen, auch wenn es etwas kleiner ausfiel als geplant: anstatt 10 Fuss (30,4,8 cm) Durchmesser wurde der Hauptspiegel nur 238 cm groß.

Das nach dem amerikanischen Astronomen Hubble benannte Weltraumteleskop wurde sehr bald erheblich teurer und komplexer als gedacht. Damit sich ein solches Instrument auch lohnt, war von vornherein vorgesehen regelmäßige Servicemissionen durchzuführen. Das HST war eines der ersten Objekte das für die Wartung durch das Space Shuttle vorgesehen war. Als die Raumfähren später nicht die hohe Startfrequenz erreichten und die Flüge sehr teuer wurden, kam man von diesem Design ab, so sind die nächsten Großteleskope – Compton und Chandra nicht mehr wartbar.

Ursprünglich war nur geplant die Instrumente auszutauschen weil sich schon in den Siebziger Jahren die Technologie rasant weiter entwickelte. Neue Instrumente sollten so die Empfindlichkeit verbessern, mehr Pixels haben oder neue Fähigkeiten bringen wie die Empfindlichkeit im nahen Infrarot.

Nach einer Verzögerung durch das Startverbot der Fähren nach der Challenger Katastrophe starteten die Fähren ab 1988 wieder. Die Raumfähre Discovery setzte Hubble in 612 km Höhe am 25.4.1990 aus. Es war die höchste Bahn die Space Shuttles jemals erreichten. Sie war nötig, weil Hubble durch die Auslegung auf die Wartung durch Space Shuttles keinen eigenen Antrieb hatte – je höher die Bahn war, desto länger blieb es im Orbit und als Nebeneffekt um so weniger stört die Erde die Beobachtungen.

Nach dem Aussetzen wartete man bis die Raumfähre weg war, öffnete die Abdeckung des Teleskops und nahm nach und nach erst den Satellitenteil in Betrieb. Erst dann kamen die Instrumente dran. Am 20.5.1990 gab es die ersten Testaufnahmen. Doch sie zeigten nicht das anvisierte hohe Auflösungsvermögen von 0.04 Bogensekunden (10-20 mal besser als die besten auf der Erde) sondern waren unscharf. Zwar waren sie noch besser als die Aufnahmen auf der Erde, doch im Brennpunkt wurden nur 10-15 Prozent des Lichts gesammelt anstatt geplanter 80 Prozent, der Rest wurde auf eine Fläche von 0.6 mm² verschmiert und führte zu den unscharfen Bildern. Auch Verschiebungen des Fokus brachten keine Besserung,

Es zeigte sich bei Nachforschungen, dass man bei der Begutachtung des Spiegels eine Linse für einen Laserstrahl um 1.3 mm falsch positioniert hatte. Der Laser tastet den Spiegel ab, und das Muster des reflektierten Lichtes lässt Rückschlüsse auf die Formgenauigkeit zu. Durch die falsche Position wurde am Rande des Spiegels jedoch 2 µm zu viel Material abgetragen, der Spiegel wurde zu flach und die Strahlen vom Außenbereich trafen sich nicht mehr im Brennpunkt. 2 µm klingt zuerst nach nicht viel, doch selbst bei einem billigen Kaufhaus Teleskop ist der Spiegel normalerweise auf 0.06 µm genau geschliffen. (Geplant war eine Genauigkeit von 0,03 µm). Er darf nur Unebenheiten haben, die kleiner sind als die Wellenlänge bei der beobachtet wird (0,12 bis 1 µm) Da man nach dem Korrigieren des vermeintlichen Fehlers nicht mehr den Spiegel vermessen hat und auch keine Prüfung des gesamten Teleskops vor dem Start machte, (obgleich man es für 4 Jahre einlagern musste) fiel der Fehler nie auf. Damit lag der Fokus von Hubble nicht auf der Spiegeloberfläche, sondern 38 mm dahinter: Hubble war kurzsichtig. Der Schärfebereich war mit den Möglichkeiten den Fokus zu verschieben nicht erreichbar.

Aus Kosten- und räumlichen Gründen – die Brennweite des Teleskops liegt bei 57,6 m – war das gesamte optische System niemals an „künstlichen Sternen“ durch Laserstrahlen erprobt worden. Man fand den Fehler relativ schnell, weil der gesamte Versuchsaufbau beim Hersteller Perkin-Elmer noch verfügbar war. Am 27. Juni 1990 verkündete die NASA auf einer Pressekonferenz die Panne.

Besonders peinlich war, dass der Hersteller des optischen Systems – Perkin-Elmer seit Jahrzehnten optische Systeme für Spionagesatelliten der NRO fertigte. Wie man erst Jahrzehnte später erfuhr, waren darunter auch Spiegel in der Größe des Primärspiegels von Hubble, aber die Spionagesatelliten hatten Teleskope mit einer viel geringeren Brennweite, damit die abgebildete Szene größer ist. Die NRO übergab später zwei dieser Spiegel an die NASA die daraus das nach Grace Roman Telescope baut. Dieses hat eine dreimal kürzere Brennweite als der Hauptspiegel des HST.

Man versuchte, mit großem mathematischen Aufwand einige Bilder durch Bildverarbeitungsverfahren zu verbessern. Dies ging nur bei sehr hellen Bildern mit hohem Kontrast. Die meisten Bilder konnten damit nicht bearbeitet werden. Einige Monate lang beratschlagte die NASA, wie es weitergehen sollte, es gab sogar den Vorschlag das Projekt komplett einzustellen. Eine andere ernsthaft verfolgte Option war es, dass Teleskop wieder einzufangen und zur Erde zurückzubringen. Klingt einfach, ist es aber nicht. Die Antennen und Solarpaneele haben Mechanismen, die zwar aufgehen, aber nicht konstruiert waren sich wieder zu schließen, man hätte die Bauteile kappen müssen, wie dies auch später beim Ersetzen eines Paneels geschah. Daneben wäre durch die Bergung das ganze Teleskop kontaminiert worden.

Als Glücksfall entpuppte sich, das der Fehler kein zufälliger Fehler war, sondern der Spiegel „mathematisch korrekt“ falsch geschliffen war. Eine Korrekturlinse. die genau diese falsche Form korrigiert, würde so dem Weltraumteleskop zu seiner geplanten Schärfe verhelfen.

So ging man daran, eine Korrekturoptik zu bauen. Diese korrigiert die Verzerrung durch Linsen, die in den Strahlengang eingebaut werden. Man erreicht damit nicht ganz die Auflösung die man sich erhoffte und verliert auch etwas Licht doch sie kann den Fehler weitgehend kompensieren. Die Firma Ball Aerospace baute die Korrekturlinsen namens COSTAR (Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement) innerhalb von 28 Monaten.

Währenddessen nahm die NASA das Teleskop in Betrieb. Zwei der Instrumente – die Spektrometer hatten so große Detektoren, dass ihre Arbeit kaum beeinträchtigt war, ebenso waren Aufnahmen von hellen Objekten wie Planeten möglich. Die Astronomen erhofften sich aber von Hubble Bilder lichtschwacher Objekte wie Galaxien, sollte das Teleskop doch drei Größenklassen (etwa der Faktor 12) empfindlicher als die vorhandenen Großteleskope der Erde sein. Diese Forschungsprojekte mussten alle ruhen, bis Hubble seine Brille erhielt.

Besonders heikel war aber, dass COSTAR in den Strahlengang des Teleskops eingebaut werden musste. Das HST war zwar für Wartungen vorgesehen, doch damit diese Astronauten einfach durchführen können müssen alle Einrichtungen auch mit klobigen Handschuhen, die zudem unter Druck stehen bedienbar sein. Das war bei den Zugängen für die Instrumente der Fall, nicht jedoch bei anderen Teilen des Teleskops, diese waren mit handelsüblichen Schrauben verschraubt, diese in der Schwerelosigkeit mit Spezialwerkzeugen, die eigens dafür entwickelt wurden, zu lösen erforderte monatelanges Training der Astronuten in einem riesigen Schwimmbecken, in dem eine Nachbildung von HST versenkt war. Die Astronauten haben im Wasser durch die Luft im Anzug und Bleigewichte die gleiche Dichte wie das Wasser, sind also schwerelos. Seit den Geminimissionen werden so alle Arbeiten im Weltraum trainiert. Der Einbau von COSTAR hatte Priorität, ursprünglich war die erste Servicemission deutlich später geplant, die ersten fünf Jahre sollte das HST mit den Instrumenten, die beim Start eingebaut waren arbeiten.

Bei der ersten Service Mission (SM-1) wurde neben COSTAR auch die Widefield/Planetary Camera (WPFC) durch eine neue ersetzt. Sie hatte CCD-Sensoren mit der doppelten Empfindlichkeit der alten WPFC und ihr Spektralbereich reichte weiter ins IR und UV hinein. Die Auflösung und Pixelzahl von 800 x 800 Pixeln blieb aber. Die WPFC-2 hatte schon die Korrekturoptik integriert. Sie war so früh startbereit, weil an ihr schon seit Jahren gearbeitet wurde und sich schon der Start von Hubble verzögerte. Eine weitere größere Arbeit war das Ersetzen der Solarpaneele. Die Solarpaneele sind sehr dünn und werden aus einer Rolle aufgerollt. Am Ende werden sie fixiert. Durch thermischen Stress drehen und drehen sich die Paneele und sie induzieren damit eine Kraft, die auf das Teleskop wirkt. Man konnte diesen Effekt minimieren, indem man auf die Ausrichtung achtete und spielte dafür ein Computerprogramm zum Weltraumteleskop hoch. Eine dauerhafte Lösung wäre aber besser. So baute die ESA die Solararrays nochmals, jedoch mit einer verbesserten Befestigung. Sie konnten sich nun am Ende wo sie gehalten wurden leicht ausdehnen und zusammenziehen, ohne dass diese Bewegung auf die Aufhängung übertragen wurde. Dazu nutzte man einen Federmechanismus. Die Aufhängung selbst wurde isoliert, um Verdrehung durch Aufheizung zu minimieren und die Trommeln an dem Teleskop erhielten eine Versteifung damit die Panels nicht so stark schwingen konnten.Mit den Solararrays wurden auch die Motoren für das Entfalten und Einziehen der Arrays ausgetauscht,

Am 2.12.1993 startete die erste Service-Mission zu Hubble. Das Teleskop wurde vor der Wartung außer Betrieb genommen und dann vom Space Shuttle mit dem Canadararm an einem der vielen (76) Haltegriffe eingefangen. Von dort wurde es in die Flight Support Structure bugsiert, einem Element in der Shuttle Bucht. Diese Befestigungsmöglichkeit wurde von der Solar MAX Mission adaptiert. Das U-Förmige Element fixiert mit drei Haken das Teleskop und kann es um 360 Grad im Raum drehen. So haben Astronauten Zugang zu jeder Stelle.

Das Problematische an der SM1, das auch bei folgenden Missionen auftrat, war aber, dass die Astronauten an Teile herankommen mussten, die nicht für ein Austauschen vorgesehen waren. COSTAR musste mitten im Strahlengang installiert werden. Diese Arbeit erwies sich als sehr zeitraubend und schwierig. Doch sie gelang. Bei der Gelegenheit wurden zahlreiche weitere Handgriffe am Weltraumteleskop installiert, welche die Arbeit bei zukünftigen Wartungen erleichtern sollten.

Die alten Solarzellen wurden abgetrennt und verglühten in der Atmosphäre. Abmontieren konnte man nur eines. Das zweite musste gekappt werden und driftete dann fort und verglühte erst Jahre später in der Atmosphäre. Die neuen Paneele wurden montiert und arbeiten seitdem ohne Probleme. Auch andere mechanische Teile machten Probleme und mussten bei der Mission STS-61 ausgetauscht werden. So zwei Magnetfeldsensoren und zwei Messsysteme für die Gyroskope.

Auch der Bordcomputer wurde ergänzt. Als Hubble konzipiert wurde, Mitte der siebziger Jahre war die Computertechnik noch eine andere. Das HST erhielt einen 386-Coprozessor. Der war 1993, als die Servicemission angesetzt wurde, zwar auch schon veraltet. 1998 gab die NASA als Geschwindigkeit des Anfang der siebziger Jahren entwickelten DF-224 Computer als „comparable in speed to modern pocket calculators.“ an. Der „80386 Coprozessor“ war eigentlich ein 80386 Prozessor mit einem mathematischen 80387 Coprozessor, 1 MByte RAM, 128 KByte ROM mit dem Bootprogramm und 256 KByte ROM mit einem von der Missionskontrolle aus neu programmierbaren Anwendungsprogramm. Die Bezeichnung „Coprozessor“ wurde gewählt, weil man wegen des technischen Aufwands nicht einen der DF-224 ersetzen wollte. Stattdessen wurde der 80386 zur Unterstützung zusätzlich eingebaut. Er war nötig, weil drei der acht Speichermodule des DF-224 ausgefallen waren. Mindestens drei brauchte man für den Betrieb. Zusätzlich zu dem eigenen Speicher hatte der Koprozessor 64 KWorte Speicher, die vom DF-224 aus ansprechbar waren, konnte also acht der bisherigen Module ersetzen. Jede Kombination von internen und neuem Speicher war möglich. Der 80386 selbst war ebenfalls redundant vorhanden. Offen ist ob der 80386 nur den Speicher verwaltete oder auch mit Rechenaufgaben betraut wurde.

Weitere Arbeiten umfassten die Installation von zwei Rate Sensing Units – Sets mit je zwei Gyroskopen welche die Lage des Teleskops kontrollieren mitsamt ihrer Elektronik und Acht assoziierten Sicherungen. Dazu kamen zwei neue Magnetometer an der Spitze, die helfen sollten das Teleskop mithilfe des Erdmagnetfeldes zu drehen und ein GHRS-Redundancy Kit. Es verhinderte das ein Stromausfall einer der beiden Versorgungsstränge auch den zweiten lahmlegte.

Die Außenarbeiten dauerten je nach Quelle 28,5 bis 35 Stunden, die SM1-Mission elf Tage vom 2 bis zum 13.12.1993. Fünf Ausstiege gab es, sieben waren geplant. Kurz vor dem Aussetzen des Teleskops hob die Besatzung die 590 km hohe Bahn noch um 8 km an, um die Lebensdauer des Teleskops zu erhöhen.

Danach lieferte Hubble Bilder, die dem entsprachen was man sich von ihm erhoffte. Am 14. Januar verkündete die NASA auf einer Pressekonferenz „The Trouble with Hubble is over“ und präsentierte spektakuläre Vorher-/Nachher-Aufnahmen, wie von der Whirlpool Galaxie M100.

Neuere Instrumente beinhalten die Korrekturoptik und brauchen die Korrekturlinsen nicht. Seit 2002 mit der Faint Object Camera das letzte der ursprünglichen Instrumente durch ein leistungsfähigeres ersetzt wurde, ist die Korrekturoptik nicht mehr nötig und die Linsen wurden aus dem Strahlengang des Spiegels geklappt. 2009 wurden sie ganz ausgebaut, um den Platz für ein Instrument freizumachen. Hubble ist neben dem SMM Satelliten wohl die einzige Mission, bei der ein Shuttle sinnvoll zur Rettung einer Mission war. Etwas was bei seinem Design immer als Nutzen hervorgehoben wurde.

Die Instrumente an Bord von Hubble sind immer noch aktiv. Als problematisch haben sich über Jahre die Gyroskope herausgestellt. Dass Weltraumteleskop hat keinen eigenen Antrieb, die Abgase könnten die Spiegeloberfläche beeinträchtigen. Alle Drehungen führt sie mit schnell rotierenden Gyroskopen – Kreiseln – durch. Dadurch das diese mechanische Systeme sind, verschleißen sie und bei jeder der folgenden Servicemissionen wurden defekte Kreisel ersetzt. Doch die letzte fand 2009 statt, das ist mittlerweile fast 15 Jahre her. 2018 gab es den letzten Vorfall mit den Gyroskopen, die drei alten anfälligen sind mittlerweile ausgefallen, die drei neuen arbeiten dagegen. Es gibt Notfallpläne um mit weniger Gyroskopen auszukommen, ein Betrieb mit nur zwei funktionierenden (von sechs) war zum Beispiel von 2005 bis 2009 Routine.

Das Weltraumteleskop wurde für 15 Jahre Betrieb konzipiert und ist nun schon 34 Jahre in Betrieb und der zweitälteste noch aktive Satellit in einem Erdorbit. Es wird durch die Atmosphäre aber abgebremst. Derzeit ist es noch in 514 x 517 km Höhe, durch die rasch zunehmende Dichte der Atmosphäre wird es jedoch immer schneller abgebremst. Isaacman und SpaceX wollen eine kommerzielle Servicemission zu Hubble durchführen. Dei NASA selbst hat sich dazu nicht geäußert, bot lediglich an, dass sie das HST zur Verfügung stellen würde, wenn eine Firma an ihm seine Reboost-Fähigkeiten „demonstrieren“ würde. Sie würde dafür aber nichts bezahlen. Sie hat auch nicht das Geld dazu, denn im Gegenteil wurde vorgeschlagen, das Budget für das HST und Chandra zu kürzen.

Auch wenn ich nicht viel von SpaceX halte, denke ich, dass wenn sowieso reiche Milliardäre wie Isaccman nun schon zum zweiten Mal ins All fliegen, sie durchaus auch etwas Sinnvolles tun könnten und dazu würde ein Reboost gehören. Der wäre relativ einfach zu bewerkstelligen und käme ohne Ausstieg aus, die Dragon bräuchte nur einen Arm im Trunk um das Teleskop zu halten. Isaacman könnte sich darin sonnen, nicht nur Tourist zu sein, sondern der Raumfahrt einen Dienst zu erweisen und es gäbe sicher viele nette Fotos, mit denen er angeben könnte, also eine echte Win-Win Situation.