Es ist erstaunlich zu glauben, dass sich gerade Teleskope im Weltraum befinden, die ihren Blick stunden-, tag- und sogar wochenlang auf entfernte Objekte richten. Wir bieten eine Sichtweise, die so stabil und genau ist, dass wir Details über Galaxien, Exoplaneten und mehr erfahren können.
Und dann, wenn die Zeit abgelaufen ist, kann das Raumschiff seinen Blick in eine andere Richtung richten. Alles ohne Kraftstoff.
Alles dank der Technologie von Reaktionsrädern und Gyroskopen. Lassen Sie uns darüber sprechen, wie sie funktionieren, wie sie sich unterscheiden und wie ihr Scheitern Missionen in der Vergangenheit beendet hat.
Hier ist die schnelle Antwort. Reaktionsräder ermöglichen es Raumfahrzeugen, ihre Ausrichtung im Weltraum zu ändern, während Gyroskope ein Teleskop unglaublich stabil halten, sodass sie mit hoher Genauigkeit auf ein Ziel zeigen können.
Wenn Sie genug Folgen von Astronomy Cast gehört haben, wissen Sie, dass ich mich immer über Reaktionsräder beschwere. Es scheint immer der Punkt des Scheiterns bei Missionen zu sein, der sie vorzeitig beendet, bevor die Wissenschaft alles in sich hat.
Ich habe die Begriffe Reaktionsräder und Gyroskope in der Vergangenheit wahrscheinlich synonym verwendet, aber sie dienen etwas anderen Zwecken.
Lassen Sie uns zunächst über Reaktionsräder sprechen. Dies ist eine Art Schwungrad, mit dem die Ausrichtung eines Raumfahrzeugs geändert wird. Denken Sie an ein Weltraumteleskop, das von Ziel zu Ziel wechseln muss, oder an ein Raumschiff, das sich zur Erde zurückdrehen muss, um Daten zu kommunizieren.
Sie werden auch als Schwungräder bezeichnet.
Im Weltraum gibt es keinen Luftwiderstand. Wenn sich ein Rad in eine Richtung dreht, dreht sich das gesamte Teleskop dank Newtons drittem Gesetz in die entgegengesetzte Richtung - Sie wissen, dass bei jeder Aktion eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion auftritt. Wenn sich die Räder in alle drei Richtungen drehen, können Sie das Teleskop in jede gewünschte Richtung drehen.
Die Räder sind fixiert und drehen sich zwischen 1.000 und 4.000 Umdrehungen pro Minute, wodurch sich ein Drehimpuls im Raumfahrzeug aufbaut. Um die Ausrichtung des Raumfahrzeugs zu ändern, ändern sie die Geschwindigkeit, mit der sich die Räder drehen.
Dies erzeugt ein Drehmoment, das bewirkt, dass das Raumfahrzeug seine Ausrichtung oder seinen Verlauf in eine gewählte Richtung verschiebt.
Diese Technologie arbeitet nur mit Elektrizität, was bedeutet, dass Sie kein Treibmittel verbrauchen müssen, um die Ausrichtung des Teleskops zu ändern. Solange sich genügend Rotoren drehen, können Sie Ihre Richtung weiter ändern und nur die Kraft der Sonne nutzen.
Reaktionsräder werden in so ziemlich jedem Raumschiff eingesetzt, von winzigen Cubesats bis zum Hubble-Weltraumteleskop.
Mit drei Rädern können Sie Ihre Ausrichtung an einer beliebigen Stelle in drei Dimensionen ändern. Das LightSail 2 der Planetary Society verfügt jedoch nur über ein einziges Impulsrad, mit dem die Ausrichtung des Sonnensegels von der Kante zur Sonne und dann zur Breitseite verschoben werden kann, um die Umlaufbahn allein durch Sonnenlicht zu erhöhen.
Natürlich sind wir mit Reaktionsrädern am besten vertraut, da sie ausfallen und Raumfahrzeuge außer Betrieb setzen. Missionen wie FUSE und JAXAs Hayabusa.
Keplers Verlust von Reaktionsrädern und die geniale Lösung
Am bekanntesten ist das Kepler-Weltraumteleskop der NASA, das am 9. März 2009 gestartet wurde, um Planeten zu finden, die andere Sterne umkreisen. Kepler war mit 4 Reaktionsrädern ausgestattet. Drei waren notwendig, um das Teleskop vorsichtig auf eine Himmelsregion zu richten, und dann ein Ersatz.
Es wurde darauf geachtet, dass sich die Helligkeit eines Sterns in seinem Sichtfeld um den Faktor 1 zu 10.000 ändert, was darauf hinweist, dass ein Planet vor ihm vorbeiziehen könnte. Um Bandbreite zu sparen, übertrug Kepler tatsächlich nur Informationen über die Helligkeitsänderung der Sterne selbst.
Im Juli 2012 fiel eines der vier Reaktionsräder von Kepler aus. Es hatte immer noch drei, was das Minimum war, um stabil genug zu sein, um seine Beobachtungen fortzusetzen. Und dann, im Mai 2013, gab die NASA bekannt, dass Kepler einen Fehler mit einem anderen seiner Räder hatte. Es waren also nur zwei.
Dies brachte die wichtigsten wissenschaftlichen Operationen von Kepler zum Stillstand. Mit nur zwei Rädern konnte es seine Position nicht mehr genau genug halten, um die Helligkeit des Sterns zu verfolgen.
Obwohl die Mission ein Misserfolg gewesen sein könnte, entwickelten die Ingenieure eine geniale Strategie, bei der der leichte Druck der Sonne als Kraft auf einer Achse fungierte. Durch perfektes Ausbalancieren des Raumfahrzeugs im Sonnenlicht konnten sie die beiden anderen Reaktionsräder weiterhin verwenden, um weitere Beobachtungen durchzuführen.
Aber Kepler war gezwungen, auf den winzigen Punkt am Himmel zu schauen, der zufällig mit seiner neuen Ausrichtung übereinstimmte, und verlagerte seine wissenschaftliche Mission auf die Suche nach Planeten, die rote Zwergsterne umkreisen. Es verbrauchte sein Bordtreibmittel und wandte sich wieder der Erde zu, um Daten zu übertragen. Am 30. Oktober 2018 ging Kepler schließlich der Treibstoff aus, und die NASA schloss ihre Mission ab.
Zur gleichen Zeit, als Kepler mit seinen Reaktionsrädern zu kämpfen hatte, hatte die NASA-Mission Dawn Probleme mit genau denselben Reaktionsrädern.
Dawns Verlust der Reaktionsräder
Dawn wurde am 27. September 2007 mit dem Ziel gestartet, die beiden größten Asteroiden im Sonnensystem zu erkunden: Vesta und Ceres. Das Raumschiff ging im Juli 2011 in die Umlaufbahn um Vesta und verbrachte das nächste Jahr damit, die Welt zu studieren und zu kartieren.
Es sollte Vesta verlassen und im August 2012 nach Ceres fahren, aber die Abfahrt verzögerte sich aufgrund von Problemen mit den Reaktionsrädern um mehr als einen Monat. Ab 2010 stellten die Ingenieure immer mehr Reibung an einem der Räder fest, sodass das Raumschiff auf die drei funktionierenden Räder umstellte.
Und dann, im Jahr 2012, begann auch das zweite seiner Räder an Reibung zu gewinnen, und das Raumschiff hatte nur noch zwei verbleibende Räder. Nicht genug, um es mit Strom allein im Weltraum vollständig auszurichten. Dies bedeutete, dass es beginnen musste, sein Hydrazin-Treibmittel zu verwenden, um seine Ausrichtung während des restlichen Missionszeitraums aufrechtzuerhalten.
Dawn schaffte es nach Ceres und konnte durch sorgfältigen Einsatz von Treibmittel diese Welt und ihre bizarren Oberflächenmerkmale abbilden. Schließlich hatte das Raumschiff Ende 2018 kein Treibmittel mehr und konnte seine Ausrichtung nicht mehr beibehalten, Ceres kartieren oder seine Signale zur Erde zurücksenden.
Das Raumschiff wird Ceres weiterhin umkreisen und hilflos stürzen.
Es gibt eine lange Liste von Missionen, deren Reaktionsräder ausgefallen sind. Und jetzt glauben Wissenschaftler zu wissen, warum. Im Jahr 2017 wurde ein Artikel veröffentlicht, in dem festgestellt wurde, dass die Umgebung des Weltraums selbst das Problem verursacht. Wenn geomagnetische Stürme das Raumschiff passieren, erzeugen sie Ladungen auf den Reaktionsrädern, die eine Zunahme der Reibung verursachen und sie schneller abnutzen lassen.
Ich werde einen Link zu einem großartigen Video von Scott Manley setzen, das detaillierter wird.
Hubble-Weltraumteleskop und seine Gyroskope
Das Hubble-Weltraumteleskop ist mit Reaktionsrädern ausgestattet, um seine Gesamtausrichtung zu ändern und das gesamte Teleskop um die Geschwindigkeit eines Minutenzeigers auf einer Uhr zu drehen - 90 Grad in 15 Minuten.
Um jedoch auf ein einzelnes Ziel gerichtet zu bleiben, wird eine andere Technologie verwendet: Gyroskope.
Hubble verfügt über 6 Gyroskope, die sich mit 19.200 Umdrehungen pro Minute drehen. Sie sind groß, massiv und drehen sich so schnell, dass ihre Trägheit Änderungen der Ausrichtung des Teleskops widersteht. Es funktioniert am besten mit drei - passend zu den drei Raumdimensionen - kann aber mit zwei oder sogar einer mit weniger genauen Ergebnissen arbeiten.
Im August 2005 waren Hubbles Gyroskope abgenutzt und die NASA wechselte in den Zwei-Gyroskop-Modus. Im Jahr 2009 besuchten NASA-Astronauten während der Wartungsmission 4 das Weltraumteleskop und ersetzten alle sechs Gyroskope.
Dies ist wahrscheinlich das letzte Mal, dass Astronauten Hubble jemals besuchen werden, und seine Zukunft hängt davon ab, wie lange diese Gyroskope halten.
Was ist mit James Webb?
Ich weiß, dass die bloße Erwähnung des James Webb-Weltraumteleskops alle nervös macht. Bisher wurden mehr als 8 Milliarden US-Dollar investiert, die in etwa zwei Jahren auf den Markt kommen sollen. Es wird zum L-Lagrange-Punkt Erde-Sonne L2 fliegen, der sich etwa 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt befindet.
Im Gegensatz zu Hubble gibt es keine Möglichkeit, das James Webb herauszufliegen, um es zu reparieren, wenn etwas schief geht. Und wenn man bedenkt, wie oft Gyroskope ausgefallen sind, scheint dies wirklich eine gefährliche Schwachstelle zu sein. Was ist, wenn James Webbs Gyros versagen? Wie können wir sie ersetzen?
James Webb hat Reaktionsräder an Bord. Sie wurden von Rockwell Collins Deutschland gebaut und ähneln den Reaktionsrädern an Bord der NASA-Missionen Chandra, EOS Aqua und Aura - also eine andere Technologie als die ausgefallenen Reaktionsräder von Dawn und Kepler. Die Aura-Mission machte 2016 Angst, als eines ihrer Reaktionsräder herunterfuhr, aber sie wurde nach zehn Tagen wieder hergestellt.
James Webb verwendet keine mechanischen Gyroskope wie Hubble, um das Ziel zu erreichen. Stattdessen wird eine andere Technologie verwendet, die als halbkugelförmige Resonatorkreisel oder HRGs bezeichnet wird.
Diese verwenden eine Quarzhalbkugel, die sehr präzise geformt wurde, so dass sie auf sehr vorhersehbare Weise mitschwingt. Die Halbkugel ist von Elektroden umgeben, die die Resonanz antreiben, aber auch geringfügige Änderungen ihrer Ausrichtung erkennen.
Ich weiß, dass diese Art von Kauderwelsch klingt, als würde er von Einhorn-Träumen angetrieben, aber Sie können dies selbst erleben.
Halten Sie ein Weinglas und schnippen Sie es dann mit Ihrem Finger, damit es klingelt. Das Klingeln ist das Weinglas, das sich mit seiner Resonanzfrequenz hin und her biegt. Wenn Sie das Glas drehen, dreht sich auch das Hin- und Herbewegen, bleibt jedoch auf sehr vorhersehbare Weise hinter der Ausrichtung zurück.
Wenn diese Schwingungen in einem Quarzkristall tausende Male pro Sekunde auftreten, ist es möglich, winzige Bewegungen zu erkennen und sie dann zu berücksichtigen.
So bleibt James Webb bei seinen Zielen.
Diese Technologie ist auf der Cassini-Mission bei Saturn geflogen und hat perfekt funktioniert. Tatsächlich hatte die NASA bis Juni 2011 berichtet, dass diese Instrumente 18 Millionen Stunden Dauerbetrieb im Weltraum auf mehr als 125 verschiedenen Raumfahrzeugen ohne einen einzigen Ausfall erlebt hatten. Es ist eigentlich sehr zuverlässig.
Ich hoffe das klärt die Dinge auf. Reaktions- oder Impulsräder werden verwendet, um Raumfahrzeuge im Weltraum neu auszurichten, sodass sie ohne Verwendung von Treibmittel in verschiedene Richtungen weisen können.
Gyroskope werden verwendet, um ein Weltraumteleskop genau auf ein Ziel zu richten und die besten wissenschaftlichen Daten zu liefern. Sie können mechanische Spinnräder sein oder die Resonanz vibrierender Kristalle nutzen, um Trägheitsänderungen zu erfassen.
