Teleskope auf Ballons könnten die Astronomie grundlegend verändern

Wenn Sie an innovative neue Weltraumstartkonzepte denken, denken Sie wahrscheinlich an Raketen wie das Starship von SpaceX oder das Space Launch System der NASA, die Teleskope oder Forschungsroboter in den Orbit und darüber hinaus befördern. Und sicherlich werden Raketen hier bleiben und die Hauptmethode bleiben, um Dinge über die Schwerkraft der Erde hinaus zu transportieren. Eine alternative und billigere Option könnte jedoch von einer viel älteren Form der Technologie stammen: Ballons.

Ballons, die mit heißer Luft oder Gas gefüllt sind, werden seit Jahrhunderten in den Himmel gehoben, wobei Aufzeichnungen über das alte chinesische Militär, das Ballons für Signalzwecke verwendete , bereits im 3 . Und sie wurden auch in der Astronomieforschung eingesetzt, wie das US- Projekt Stargazer der 1960er Jahre, das zwei Männer und ein Teleskop in einem Höhenballon 25 Kilometer in die Luft schickte, um die Sterne zu beobachten.

Jetzt bedeuten jüngste Entwicklungen in der Ballontechnologie der NASA, dass Ballons ihren Wert für hochmoderne Astronomieprojekte erneut unter Beweis stellen können, indem sie Hightech-Teleskope in die Atmosphäre tragen, von wo aus sie den Kosmos beobachten können. Wir sprachen mit einem der Forscher, der an einer neuen Generation von Teleskopen auf Ballonbasis arbeitet, Mohamed Shaaban von der University of Toronto, um zu erfahren, wie diese alte Technologie für einen brandneuen Einsatz eingesetzt wird.

Auf und davon

Um zu verstehen, warum Ballons ein so großes Potenzial für den Einsatz in Teleskopmissionen haben, müssen Sie zunächst verstehen, warum wir Teleskope in den Orbit schicken. Es gibt zwar viele Teleskope am Boden, die hervorragende Arbeit leisten, aber wenn Sie wirklich weit entfernte Objekte betrachten möchten, müssen Sie die Probleme berücksichtigen, die durch die Erdatmosphäre verursacht werden.

Das große Problem ist der Wasserdampf in der Atmosphäre, der Bilder von bodengestützten Teleskopen unscharf macht. Deshalb werden Teleskope oft an sehr trockenen Orten und in sehr großen Höhen aufgestellt, wie auf dem Mauna Kea auf Hawaii oder in der Atacama-Wüste in Chile. Aber die beste Lösung besteht darin, entfernte Objekte von oberhalb der Atmosphäre zu betrachten, weshalb Teleskope wie Hubble in die Umlaufbahn gebracht werden.

Wenn Sie ein Teleskop über der Atmosphäre platzieren möchten, schicken Sie es traditionell mit einer Rakete in den Orbit. Das ist teuer und nicht einfach zu bewerkstelligen – und es ist enorm teuer, auftretende Probleme zu beheben, die einen Austausch der Hardware erfordern –, aber es ist eine äußerst zuverlässige Methode, um die Erdatmosphäre zu vermeiden.

Ballons hingegen werden seit Jahrzehnten in der wissenschaftlichen Forschung eingesetzt, typischerweise über der Antarktis. Das Problem bei der Verwendung von Ballons für Teleskope war bisher eine Frage des Lichts. Die meisten wissenschaftlichen Ballons werden in der Antarktis gestartet, da die Forschungshardware im Allgemeinen von Sonnenkollektoren mit Strom versorgt wird, die nur bei Tageslicht betrieben werden können, und die Antarktis im Sommer 24 Stunden Tageslicht hat. Aber das bedeutet, dass Sie auf die Art von Forschung beschränkt sind, die tagsüber durchgeführt werden kann, was für Teleskope nicht gut ist.

Aber die neu entwickelten Ballons der NASA, Superdruckballons genannt, können in der mittleren Breitenregion der Erde operieren und sowohl im Tag- als auch im Nachtzyklus arbeiten. „Zum ersten Mal werden wir in der Lage sein, Nachtwissenschaft [mit Ballons] zu betreiben“, sagt Shaaban, was die Tür zu einer ganzen Reihe von Astronomieprojekten öffnet.

Eine neue Art von Ballon

Ballons als Transportmittel für Teleskope haben große Vorteile. Erstens ist das Starten eines Ballons enorm billiger als das Starten einer Rakete. Außerdem können Sie ein Teleskop sehr einfach zur Erde zurückbringen und es dann neu starten. Wenn Sie also Wartungsarbeiten durchführen müssen, ist dies relativ einfach. Das ist eine große Sache, wenn man bedenkt, wie schwierig und komplex es war, das Hubble-Teleskop zu warten, als es kurz nach seinem Start im Jahr 1990 Hardwareprobleme hatte.

„Beim Ballonfahren ist das Schöne daran, dass Sie wiederherstellbare Starts haben“, sagte Shabaan. „Sie starten das System also mehrmals. Sie stellen also etwas zusammen, und es muss nicht beim ersten Mal funktionieren – weil Sie es für eine einzige Nacht starten, um es zu testen, dann herunterfahren und wiederholen. Sie brauchen also nicht die sehr aggressive Teststruktur, die Sie für orbitale [Missionen] benötigen.“

Es sind diese komplexen Tests, die den Preis von Orbitalmissionen in die Höhe treiben. Sicherstellen, dass jede Hardware sofort funktioniert, dass alles mehrere Redundanzen hat und all diese Redundanzen auch miteinander funktionieren – das kann die Budgets für Weltraumprojekte in die Höhe schnellen lassen.

Mit Ballooning ist es einfacher, das Hardwaredesign im Laufe der Zeit zu iterieren und anzupassen. Und wenn Sie einen Ballon hoch genug in die Ränder der Atmosphäre schicken, erhalten Sie fast alle Vorteile der Wasserdampfreduzierung im Orbit.

Herkömmliche Ballons, sogenannte Nulldruckballons, arbeiten, indem sie Gas ablassen, wenn die Sonne aufgeht und das Gas expandieren lässt. Wenn die Sonne untergeht, zieht sich das Gas zusammen und der Ballon geht ebenfalls unter. Die neuen Überdruckballons funktionieren, indem sie das Gas eingeschlossen halten, selbst wenn es sich ausdehnt. Da er nicht belüftet ist, kann der Ballon bei Sonnenuntergang in der Luft bleiben, sodass er monatelang nachts weiterarbeiten kann. Der Überdruckballon der NASA wird voraussichtlich zwischen 30 und 100 Nächte Betriebsdauer haben, verglichen mit den wenigen Tagen, die zuvor möglich waren.

Ein Teleskop, das von einem Ballon in die Höhe gehoben wird

Es ist diese neue Klasse von NASA-Ballonen, die Shabaan und seine Kollegen in ihrem Teleskopprojekt verwenden. Sie haben ein Projekt namens SuperBIT, das ein Teleskop in der Luft halten und mithilfe einer ausgeklügelten autonomen Software in die richtige Richtung zeigen wird. Indem es die winzigen Bewegungen des Ballons erfasst und automatisch kompensiert, kann sein Teleskop für eine ballonbasierte Mission mit einem beispiellosen Detailgrad zu den Sternen blicken.

Das Problem, das Teleskop in eine Richtung gerichtet zu halten, ist entscheidend für genaue Beobachtungen, und SuperBIT hat dafür einen einzigartigen Ansatz. Das Teleskop sitzt in einem Außenrahmen, einem Mittelrahmen und einem Innenrahmen, die sich jeweils auf einer anderen Achse bewegen: Gieren, Neigen und Rollen. In Kombination ermöglichen diese dem Teleskop, überall in den Himmel zu zielen. „Das heißt, wenn ich eine Bewegung erlebe, kann ich sie rückgängig machen, indem ich mich in eine dieser drei Richtungen bewege“, erklärte Shaaban.

Dies bietet ein grundlegendes Maß an Stabilität, aber für wirklich genaue Messwerte muss es noch stabiler sein. Im Inneren des Teleskops befindet sich ein Spiegel, der sich mit einer extrem schnellen Geschwindigkeit von 50 Bewegungen pro Sekunde bewegen kann. Wenn Licht in das Teleskop eintritt und aufgrund der sehr geringen Bewegungen des Teleskops zu zittern scheint, passt sich der Spiegel dieser Bewegung an, sodass es unerschüttert am Sensor ankommt. Die Bewegungen, die der Spiegel ausführen muss, werden anhand von Daten von Sensoren im gesamten Teleskop berechnet, sodass sich das Teleskop völlig autonom stabilisieren kann.

Und diese Korrekturen für kleine Bewegungen werden nicht mit Triebwerken vorgenommen, die Treibstoff erfordern würden. Stattdessen werden sie hergestellt, indem die Größe des Ballons selbst ausgenutzt wird, erklärte Shaaban: „SuperBIT funktioniert so, dass es diese Bewegungen spürt und Motoren hat, die gegen den Ballon drehen, um diese Bewegungen rückgängig zu machen, was bedeutet, dass es im Grunde genommen so ist Nehmen Sie den Schwung und leiten Sie ihn in den Ballon. Aber der Ballon ist so groß, als würde man eine Tasse Wasser ins Meer gießen. Der Meeresspiegel wird nicht steigen.“ Die Motoren werden mit Strom betrieben, der aus Batterien stammt, die von Sonnenkollektoren aufgeladen werden, sodass Sie sich keine Sorgen um Kraftstoff machen müssen.

Das Ergebnis von all dem ist ein Ballon, der eine Himmelsrichtung fixieren kann, um ihn mit hoher Genauigkeit zu beobachten. „Sie sagen SuperBIT, dass es zeigen soll, und es zeigt“, sagte Shaaban. „Es wird ein Ding betrachten und es verfolgen. Es wird sicherstellen, dass sich das Ding aus der Perspektive der Kamera nicht mehr als 20 Millibogensekunden bewegt“, erklärte er. Damit ist SuperBIT das allererste Nicht-Weltraum-Teleskop mit Beugungsbegrenzung, da es sich sowohl über der Atmosphäre befindet als auch der Jitter in den Messwerten im Wesentlichen Null ist, was es zu einem leistungsstarken wissenschaftlichen Werkzeug macht.

Wie man ein Teleskop fliegt, das an einem Ballon festgeschnallt ist

So richten Sie also ein Teleskop von einem Ballon aus aus. Aber was ist mit dem Bewegen des Ballons selbst? Wenn es um Ballons geht, kann es eine Herausforderung sein, sie genau dorthin zu bringen, wo Sie sie haben möchten. „Es ist schwierig, genau zu steuern, aber relativ einfach zu steuern “, erklärte Shaaban. Das liegt daran, dass Sie Wettermodelle verwenden können, um Winde zu finden, die in die gewünschte Richtung wehen, und sich in diese Strömungen zu bewegen, indem Sie die Höhe anpassen. Auf diese Weise können Sie einen Ballon ungefähr in die gewünschte Richtung bewegen.

Das Lenken wird jedoch viel schwieriger, wenn die getragene Last sehr schwer ist, wie z. B. ein Teleskop. Aber glücklicherweise erfordern die meisten wissenschaftlichen Anwendungen nicht wirklich, dass sich ein Ballon an einer bestimmten Position auf der Erde befindet – die Höhe, die sie erreichen, ist viel wichtiger. Die einzige Sorge bei dieser Art von Missionen besteht darin, dass die Betreiber vermeiden müssen, dass der Ballon aus Gründen der öffentlichen Sicherheit über besiedelte Gebiete fährt.

Der Ballon fliegt in eine Höhe zwischen 35 und 40 Kilometern (20 bis 25 Meilen) in eine Region der Atmosphäre, die als Stratosphäre bezeichnet wird. Als Referenz, das ist oben, wo Flugzeuge fliegen, aber unten, wo Satelliten wie die Starlink-Konstellationen von SpaceX in einer sehr niedrigen Erdumlaufbahn sitzen. Das ist hoch genug, um die Krümmung des Planeten zu sehen, aber nicht so hoch, dass Sie die gesamte Erde sehen können. Es ist nicht die einladendste Umgebung – es ist kalt, zwischen -30 und -40 °C (-22 bis -40 °F), aber nicht so kalt wie der Orbitalraum. Und dort gibt es auch störende Strahlung, wenn auch wieder nicht so schlimm wie im Orbit. Die technischen Überlegungen dort sind also nicht unähnlich dem Design für Orbitalmissionen, sagte Shaaban: „Es ist der Weltraum, aber anders, wenn es um die Herausforderungen geht, denen wir gegenüberstehen.“

Es gibt eine weitere Herausforderung, die sich aus der Wiederherstellung der Teleskope ergibt: Wenn Sie eine Ballonladung bergen und wiederverwenden möchten, möchten Sie nicht, dass Ihr Teleskop an einem schwer zugänglichen Ort abgeladen wird. Während der Testflüge von SuperBIT wählte das Team seine Operationsbasis sorgfältig aus und startete entweder von Palästina, Texas, oder Timmins, Ontario, die beide von großen unbewohnten Landgebieten umgeben sind, von denen das Teleskop jedoch leicht zu bergen ist.

Das Landen eines Ballons kann eine holprige Fahrt sein. „Wir lassen den Ballon buchstäblich platzen“, sagte Shaaban. „Der Ballon platzt, und dann wirfst du einen Fallschirm aus. Es ist eine Art Fallschirmsprung-Mission.“ Um den Aufprall bei der Landung beim Testen der SuperBIT-Hardware abzufedern, fügte das Team dem Teleskop Crash-Pads hinzu, um einen Teil des Schwungs zu absorbieren. Manchmal hatten sie Glück, und das Teleskop landete relativ unbeschadet von seinem dramatischen Abstieg. Aber manchmal wurde die Hardware beim Treppenabsatz ernsthaft beschädigt.

Selbst ein schwer beschädigtes Teleskop ist jedoch nicht das Ende der Welt, da die Reparatur immer noch billiger ist, als ein neues Teleskop von Grund auf neu zu bauen. „Die Aufarbeitung einer bei der Landung zerstörten Mission ist wesentlich billiger, als sie zu testen, damit sie beim ersten Mal funktioniert“, erklärte er.

Wenn es eine allgemeine Botschaft gibt, die man daraus mitnehmen kann, dann die, dass das Testen von Weltraumhardware mit der erforderlichen Genauigkeit, wenn sie potenziell unbekannten und extremen Bedingungen ausgesetzt ist, wirklich sehr, sehr teuer ist. Es gibt einen großen Vorteil bei jeder Methode, die es Ihnen ermöglicht, Missionen zu starten und bei auftretenden Problemen zu iterieren, anstatt sich der unmöglichen Aufgabe zu stellen, zu versuchen, jedes mögliche Problem vorherzusagen und zu berücksichtigen.

„Es ist wirklich, wirklich, wirklich schwierig, [Weltraum-]Umgebungen kostengünstig zu simulieren“, betonte Shaaban. „Aber es stellt sich heraus, dass es billig und einfach ist, in diese Umgebungen zu gehen, wenn es um Ballonfahrten geht.“

SuperBIT und darüber hinaus

SuperBIT hat bereits mehrere Testflüge hinter sich und bereitet sich auf Wissenschaftsflüge vor, die leider durch die Pandemie verzögert wurden. Aber dieses Teleskop ist nur der Anfang: Der eigentliche Fokus des Projekts liegt auf seinem Nachfolger, der vorläufig den Namen GigaBIT trägt.

„SuperBIT ist ein Pathfinder-Experiment“, sagte Shaaban. Das langfristige Ziel der Forschung ist es, das Teleskop mit der höchsten Auflösung zu schaffen, das mit einem Überdruckballon geflogen werden kann, um die Nachfrage der Astronomen nach hochauflösender Bildgebung durch sichtbares Licht und Wellenlängen im nahen Ultraviolett zu wesentlich geringeren Kosten zu erfüllen .

Das ist notwendig, weil Teleskope wie Hubble extrem überbucht sind, was bedeutet, dass viel mehr Projekte sie verwenden möchten, als ihnen möglicherweise Beobachtungszeit gegeben werden könnte. Deshalb baut das Team ein leistungsstärkeres Teleskop, um diesen Bedarf zu decken. Die grundlegende Hardware wird SuperBIT ähneln, aber das Teleskop wird größer sein, um Bilder mit höherer Auflösung zu liefern. Um das Gewicht beizubehalten und gleichzeitig ein größeres Teleskop hinzuzufügen, da SuperBIT bereits die maximale Masse erreicht hat, die der Ballon tragen kann, wird GigaBIT andere Materialien wie Kohlefaser anstelle von Aluminium verwenden.

Wenn eine Reihe von Ballons hochauflösende Teleskope wie dieses tragen und bei Bedarf regelmäßig gestartet und gelandet werden könnten, wäre dies eine unschätzbare Hilfe für Astronomen auf der ganzen Welt.

Das soll nicht heißen, dass sie Teleskope wie Hubble obsolet machen wollen, sagte Shaaban: „Hubble hat eine deutlich höhere Auflösung als SuperBIT, aber auch ein deutlich kleineres Sichtfeld. Es ist also weder besser noch schlechter, es ist nur anders. Es hat eine ganz andere Reihe von wissenschaftlichen Fragen, die es ansprechen kann.“

Bei all dem Potenzial von ballonbasierten Teleskopen könnten Sie erwarten, dass ihre Befürworter sie als überlegen gegenüber weltraumgestützten Teleskopen wie Hubble anpreisen. Aber das ist bei Shaaban überhaupt nicht der Fall – stattdessen betonte er das Potenzial für die Zusammenarbeit zwischen bodengestützten, ballongestützten und weltraumgestützten Instrumenten.

Ballon-Teleskope in die Luft zu bringen, bedeutet, dass mehr Forschung betrieben werden kann, und das kommt allen in der astronomischen Gemeinschaft zugute. „Das Schöne an der Astronomie“, sagte Shaaban, „ist – abgesehen davon, dass sie ein so phänomenales, demütigendes Unterfangen ist – dass sie unglaublich kooperativ ist.“