Bildnachweis: Universität von Arizona
Vor über 30 Jahren kam Dr. Roger Angel an die Universität von Arizona, angezogen von den günstigen Bedingungen für astronomische Beobachtungen in der Region Tucson, Arizona: Mehrere Teleskope befinden sich in günstiger Nähe, und natürlich ist das Wetter wunderbar gemäßigt. Aber jetzt schlägt Angel vor, ein Teleskop an einem etwas abgelegeneren und nicht ganz so milden Ort zu bauen: einem Polarkrater auf dem Mond.
Angel ist bekannt für seine Innovationen bei leichten Teleskopspiegeln und adaptiver Optik und leitet nun ein Team von Wissenschaftlern aus den USA und Kanada, die die Machbarkeit des Aufbaus eines Tieffeld-Infrarotobservatoriums in der Nähe eines der Mondpole mithilfe eines Flüssigspiegel-Teleskops (LMT) untersuchen ).
Dieses Konzept ist einer von 12 Vorschlägen, die im vergangenen Oktober vom NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC) finanziert wurden. Jeder erhält 75.000 US-Dollar für sechs Monate Forschung, um erste Studien durchzuführen und Herausforderungen in der Entwicklung zu identifizieren. Projekte, die die erste Phase durchlaufen, können über einen Zeitraum von zwei Jahren bis zu 400.000 USD mehr erhalten.
LMTs werden hergestellt, indem eine reflektierende Flüssigkeit, normalerweise Quecksilber, auf einer schalenförmigen Plattform gedreht wird, um eine parabolische Oberfläche zu bilden, die perfekt für die astronomische Optik geeignet ist. Isaac Newton schlug die Theorie ursprünglich vor, aber die Technologie, um ein solches Gerät tatsächlich erfolgreich herzustellen, wurde erst kürzlich entwickelt. Nur eine Handvoll LMTs werden heute verwendet, darunter ein 6-Meter-LMT in Vancouver, Kanada, und eine 3-Meter-Version, die die NASA für ihr Orbital Debris Observatory in New Mexico verwendet.
Auf der Erde sind LMTs auf einen Durchmesser von etwa 6 Metern begrenzt, da der selbst erzeugte Wind, der durch das Drehen des Teleskops entsteht, die Oberfläche stört. Darüber hinaus unterliegen LMTs wie andere erdgestützte Teleskope einer atmosphärischen Absorption und Verzerrung, wodurch die Reichweite und Empfindlichkeit der Infrarotbeobachtung erheblich verringert wird. Aber der atmosphärenfreie Mond, sagt Angel, bietet den perfekten Ort für diesen Teleskoptyp und liefert gleichzeitig die Schwerkraft, die für die Bildung des Parabolspiegels erforderlich ist.
Das Potenzial eines LMT auf dem Mond besteht darin, ein sehr großes Teleskop herzustellen. Als Referenz hat das Hubble-Weltraumteleskop einen 2,4-Meter-Spiegel, und das James Webb-Weltraumteleskop (JWST), das für den Start im Jahr 2011 entwickelt wird, wird einen 6-Meter-Spiegel haben. Das Konzept für Angels NIAC-Vorschlag ist ein 20-Meter-Spiegel. Nach den bisherigen Untersuchungen des Teams wird nun versucht, sehr große Spiegel zu erstellen, wobei 100 Meter die Option für das große Ende sind. Sie erwägen auch kleinere LMTs. "Wir können offensichtlich nicht zum Mond gehen und als erstes einen 100-Meter-Spiegel herstellen", sagte Angel. "Wir betrachten eine Folge von Skalengrößen von 2 Metern, 20 Metern und 100 Metern und untersuchen, welches Potenzial für jede einzelne vorhanden ist." Angel glaubt, dass das 2-Meter-Teleskop ohne menschliche Präsenz auf dem Mond hergestellt und als Roboterteleskop eingerichtet werden könnte, ähnlich wie die wissenschaftlichen Instrumente auf den Marsrovern, die derzeit in Betrieb sind.
Die Einschränkung eines Flüssigkeitsspiegels besteht darin, dass er nur gerade nach oben zeigt. Es ist also kein Standardteleskop, das in eine beliebige Richtung gerichtet werden kann und Objekte am Himmel verfolgt. Es wird nur der Bereich des Himmels betrachtet, der sich direkt über dem Kopf befindet.
Das wissenschaftliche Ziel eines LMT ist es also, nicht über den gesamten Himmel zu schauen, sondern einen Raumbereich einzunehmen und ihn intensiv zu betrachten. Diese Art der Astronomie war sehr "profitabel", wie Angel es beschrieb, in Bezug auf die Fülle an Informationen, die gesammelt wurden. Einige der produktivsten wissenschaftlichen Bemühungen des Hubble-Weltraumteleskops waren seine „Deep Field“ -Fotografien.
Angel und sein Team müssen immer nur einen Bereich des Weltraums betrachten, um an einem der Mondstangen nach dem besten Standort für dieses Teleskop zu suchen. Wie an den Polen der Erde bietet ein direkter Blick von den Polen auf dem Mond immer das gleiche extragalaktische Sichtfeld. "Wenn wir zum Nord- oder Südpol des Mondes gehen, werden wir uns immer einen Fleck Himmel vorstellen, so dass Sie eine extrem tiefe Integration vornehmen können, viel tiefer als das Hubble Deep Field." Kombinieren Sie dies mit einer großen Apertur, und dieses Teleskop würde eine Beobachtungstiefe liefern, die mit keinem Teleskop auf der Erde oder im Weltraum vergleichbar wäre. "Das ist die Nische oder besondere Stärke dieses Teleskops", sagte Angel.
Ein weiterer Vorteil von Flüssigkeitsspiegeln besteht darin, dass sie im Vergleich zur Herstellung eines Standardspiegels durch Erstellen, Polieren und Testen eines großen, starren Glasstücks oder durch Erstellen kleinerer Teile, die poliert, getestet und dann sehr zusammengefügt werden müssen, sehr kostengünstig sind genau. Außerdem benötigen LMTs keine teuren Halterungen, Stützen, Verfolgungssysteme oder eine Kuppel.
"Die Gesamtkosten des James Webb-Teleskops werden voraussichtlich eine Milliarde Dollar übersteigen, wobei der Preis allein auf dem Spiegel rund eine Viertelmillion Dollar beträgt", sagte Angel. „Dieser Spiegel ist 6 Meter groß. Wenn wir diese Technologie auf noch größere Spiegel im Weltraum skalieren, werden wir schließlich die Bank sprengen, und wir werden sie uns mit der gegenwärtigen Technologie zur Herstellung des polierten Spiegels nicht leisten können es in den Weltraum bringen. “
Obwohl das 2-Meter-Teleskop ein Prototyp wäre, wäre es dennoch astronomisch wertvoll. "Wir könnten Dinge tun, die für das Spitzer-Weltraumteleskop und das Webb-Teleskop komplementär sind, da das 2-Meter-Teleskop auf dem Mond das Gebiet zwischen diesen beiden Teleskopen füllen würde." Ein 20-Meter-Spiegel würde eine dreimal höhere Auflösung als der JWST bieten. Durch Integrieren oder Offenlassen des „Verschlusses“ für längere Zeiträume, wie z. B. ein Jahr, könnten Objekte 100-mal schwächer betrachtet werden. Ein 100-Meter-Spiegel würde Daten liefern, die außerhalb der Karten liegen.
Eine der Herausforderungen bei der Entwicklung eines LMT auf dem Mond besteht darin, die Lager so zu gestalten, dass sich die Plattform reibungslos und mit konstanter Geschwindigkeit dreht. Luftlager werden für LMTs auf der Erde verwendet, aber ohne Luft auf dem Mond ist das unmöglich. Angel und sein Team untersuchen kryogene Schwebelager, ähnlich wie sie bei Magnetschwebezügen verwendet werden, um mithilfe eines Magnetfelds eine reibungslose Bewegung zu erzielen. Angel fügte hinzu: „Als Bonus können Sie dies bei den niedrigen Temperaturen auf dem Mond tun, ohne Energie zu verbrauchen, da Sie einen supraleitenden Magneten herstellen können, mit dem Sie ein Schwebelager herstellen können, für das keine kontinuierliche Stromzufuhr erforderlich ist. ”
Angel nannte die Lager eine kritische Komponente des Teleskops. "Ohne Luft auf dem Mond, um Wind zu erzeugen, gibt es keine Begrenzung für die Größe oder das Erreichen der Genauigkeit, die Sie benötigen, solange das Lager in Ordnung ist", sagte Angel.
Eine Weiterentwicklung des Projekts seit Erhalt der NIAC-Finanzierung ist der Standort des Teleskops. Im ursprünglichen Vorschlag bevorzugte Angels Team den Südpol des Mondes im Shackleton-Krater. Der Nordpol bietet jedoch tatsächlich ein besseres Sichtfeld für die extragalaktische Beobachtung, und Angel wartet auf Daten des SMART-1-Mondorbiters der Europäischen Weltraumorganisation, der kürzlich mit der Vermessung der Polarregionen des Mondes begonnen hat.
"In den Polarregionen gibt es einige Krater, in denen die Sonne niemals leuchtet und den Boden niemals erwärmt", sagte Angel. „Dort ist es extrem kalt, nicht zu weit über dem absoluten Nullpunkt. Anstatt das Teleskop unter solch feindlichen Bedingungen zu bauen, würden wir versuchen, das Teleskop auf einer Spitze eines der beiden Pole zu bauen, wo es fast ununterbrochen Sonnenschein geben würde. Dies würde Sonnenenergie liefern und die Bedingungen für die dort lebenden Menschen wären besser. Alles, was Sie tun müssen, ist, einen zylindrischen Mylar-Bildschirm um das Teleskop zu legen, um zu verhindern, dass die Sonne jemals darauf trifft, und es wird sich genau wie am Boden der Krater abkühlen. “
Bei der Infrarotbeobachtung ist ein kaltes Teleskop von entscheidender Bedeutung, um kältere und schwächere Objekte im Weltraum sehen zu können. Ideal wäre es, wenn sich das Teleskop nahe dem absoluten Nullpunkt (0 Grad Kelvin, -273 ° C, -460 ° F) befindet. Da Quecksilber bei diesen Temperaturen gefriert, besteht eine weitere Herausforderung für das Projekt darin, die richtige Flüssigkeit für den Spiegel zu finden. Einige der Kandidaten sind Ethan, Methan und andere kleine Kohlenwasserstoffe, wie die Flüssigkeiten, die die Huygens-Sonde, die am 14. Januar auf dem größten Saturnmond landete, auf Titan gefunden hat.
"Aber diese Flüssigkeiten sind nicht glänzend, also muss man herausfinden, wie man ein glänzendes Metall wie Aluminium direkt auf der Oberfläche der Flüssigkeit ablagert", sagte Angel. „Wenn wir ein astronomisches Teleskop herstellen, stellen wir normalerweise die Spiegel aus Glas her, das nicht sehr stark reflektiert, und dann verdampft man Aluminium oder Silber auf das Glas. Auf dem Mond müssten wir das Metall eher auf die Flüssigkeit als auf das Glas verdampfen. “
Dies ist einer der Schlüsselbereiche der Forschung im Rahmen des NIAC-Preises. In ersten Studien konnte Angels Team ein Metall auf eine Flüssigkeit verdampfen, allerdings noch nicht bei den erforderlichen kalten Temperaturen. Sie sind jedoch von den bisherigen Ergebnissen ermutigt.
Angels Team ist insofern untypisch für ein NIAC-Projekt, als es eine internationale Zusammenarbeit ist und NIAC keine internationalen Partner finanziert. "Es kommt vor, dass die Weltexperten für die Herstellung von sich drehenden Flüssigkeitsspiegelteleskopen alle in Kanada sind. Wenn wir daran denken, dies auf dem Mond zu tun, bringen wir sie daher unbedingt mit", sagte Angel. "Zum Glück haben sie sozusagen ihr eigenes Ticket erhalten und sind von dem Projekt begeistert."
Die kanadischen Mitglieder des Teams sind Emanno Borra von der Laval University in Quebec, der seit den frühen 1980er Jahren LMTs erforscht und baut, und Paul Hickson von der University of British Columbia, der mit Borras Hilfe das 6-Meter-LMT in gebaut hat Vancouver. Weitere Mitarbeiter sind Ki Ma von der University of Texas in Houston, ein Experte für kryogene Lager, Warren Davison von der University of Arizona, ein Experte für Maschinenbau in Teleskopen, und der Doktorand Suresh Sivanandam.
NIAC wurde 1998 gegründet, um revolutionäre Konzepte von Menschen und Organisationen außerhalb der Weltraumbehörde zu erbitten, die die Missionen der NASA vorantreiben könnten. Die Gewinnerkonzepte werden ausgewählt, weil sie laut NASA „die Grenzen bekannter Wissenschaft und Technologie überschreiten“ und „Relevanz für die NASA-Mission zeigen“. Die Entwicklung dieser Konzepte wird voraussichtlich mindestens ein Jahrzehnt dauern.
Angel sagt, dass der Erhalt des NIAC-Preises eine großartige Gelegenheit ist. "Wir werden zweifellos einen Vorschlag für Phase II (der NIAC-Finanzierung) schreiben", sagte er. „Wir haben in Phase I festgestellt, welche Probleme in diesem Projekt am kritischsten sind und welche praktischen Schritte wir jetzt unternehmen sollten. Wir haben einige Fragen geöffnet und es gibt einige einfache Tests, mit denen wir feststellen können, ob es Showstopper gibt oder nicht. "
Die größte Hürde bei der Verwirklichung des Mondinfrarot-Observatoriums liegt höchstwahrscheinlich völlig außerhalb von Angels Händen. "Der Mond ist ein sehr interessanter Ort, um Wissenschaft zu betreiben", sagte Angel. "Es basiert jedoch auf einem erheblichen Einsatz von Ressourcen durch die NASA, um zum Mond zurückzukehren." Um die großen 20- oder 100-Meter-Teleskope bauen zu können, müsste auf dem Mond eine bemannte Präsenz vorhanden sein. "Also", fuhr Angel fort, "wenn Sie Ihre Wissenschaft in diese Richtung lenken, werden Sie zum Schwanz eines sehr großen Hundes, über den Sie absolut keine Kontrolle haben."
Angel hofft, dass die NASA und die Vereinigten Staaten den Schwung der Vision für die Weltraumforschung beibehalten und zum Mond zurückkehren können. "Ich denke letztendlich, dass Menschen in den Weltraum ziehen müssen und dies irgendwann tun werden", sagte Angel. „Wenn das passiert, ist es wichtig, interessante Dinge zu tun, wenn wir dort sind. Wir müssen wissen, warum wir die Oberfläche dieses Planeten verlassen haben, um zum Mond zu gelangen. Wir erforschen, ja, aber wir können nicht nur den Mond erforschen, sondern dies auch als Ort für wissenschaftliche Forschung jenseits des Mondes nutzen. Ich denke, das sollte im Großen und Ganzen passieren. "
Nancy Atkinson ist freie Autorin und Botschafterin des NASA-Sonnensystems. Sie lebt in Illinois.
