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Schwingungsisolierung für Weltraumteleskope optimiert die Bildklarheit

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Das Nancy Grace Roman Space Telescope soll spätestens im Mai 2027 ins All starten.

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Das Nancy Grace Roman Space Telescope (Roman), früher Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST) genannt, ist ein NASA-Weltraumobservatorium, das sich derzeit in der Entwicklung befindet und spätestens im Mai 2027 ins All starten soll.
Das römische Weltraumteleskop verfügt über zwei Instrumente: das Wide Field Instrument (WFI) zur Untersuchung der Entwicklung des Universums und zur Erforschung von Sonnensystemen jenseits unseres eigenen; und das Coronagraph Instrument zur Weiterentwicklung von Technologien für extrem kontrastreiche Bildgebung und Spektroskopie aus dem All.
1998 entdeckten Wissenschaftler, dass sich die Expansion des Universums beschleunigt, was sie dazu veranlasste, ihre Modelle für die Entstehung des Universums zu überdenken. Die sichtbare Materie macht nur etwa fünf Prozent des Inhalts des Universums aus.
Fast 27 Prozent des Universums bestehen aus dunkler Materie, die weder Licht aussendet noch absorbiert.
Das Weltraumteleskop Roman der NASA. Dunkle Materie ist nur durch ihre Gravitationswirkung auf sichtbare Materie nachweisbar.
Ein bedeutender Teil der Roman-Mission wird der Beobachtung Hunderttausender entfernter Galaxien auf Supernova-Explosionen gewidmet sein, die zur Untersuchung der dunklen Energie und der Expansion des Universums genutzt werden können.
Das Hauptinstrument von Roman ist das Wide Field Instrument (WFI) mit einem Sichtfeld, das 100 Mal größer ist als die größte Aufnahme von Hubble. Es wird mit weniger Beobachtungszeit einen größeren Teil des Himmels erfassen.
In den ersten fünf Beobachtungsjahren wird Roman mehr als 50 Mal so viel Himmel abbilden, wie Hubble in 30 Jahren erfasst hat. Das WFI wird im Laufe der Missionsdauer das Licht von einer Milliarde Galaxien messen.
Abschattung des Sternenlichts Die Entdeckung erdähnlicher Planeten mit einer Atmosphäre könnte auf die Fähigkeit zurückzuführen sein, das Sternenlicht eines Teleskops abzuschirmen. Auch wenn dies nach einer großen Aufgabe klingt, wird dies bereits seit 1931 praktiziert, als der französische Astronom Bernard Lyot den ersten Koronagraphen vorstellte. Ein Koronagraph ist ein Aufsatz für ein Teleskop, der das direkte Licht eines Sterns ausblendet, so dass nahe gelegene Objekte, die sonst im hellen Licht des Sterns verborgen wären, gesehen werden können.
Das römische Weltraumteleskop verfügt über ein Coronagraph-Instrument, ein vielschichtiges und hochkomplexes Stück Technik, das aus einem System von Masken, Prismen, Detektoren und zwei selbstbiegenden Spiegeln (verformbaren Spiegeln) besteht. Bei diesen Spiegeln handelt es sich um aktive Komponenten, die ihre Form in Echtzeit ändern, um sich dem einfallenden Licht anzupassen und winzige Veränderungen in der Optik des Teleskops und Vibrationen des Observatoriums auszugleichen.
In Verbindung mit Hightech-Masken und anderen Komponenten - zusammen als "aktive Wellenfrontkontrolle" bezeichnet - beseitigen diese Spiegel die Interferenzen, die durch Lichtwellen verursacht werden, die sich an den Kanten der lichtblockierenden Elemente des Coronagraphen biegen. Das Ergebnis ist, dass das Sternenlicht stark abgeschwächt wird, während schwach leuchtende Objekte (die zuvor unsichtbar waren) relativ ungeschwächt erscheinen.
Testen kritischer Komponenten Die High-Contrast Imaging Testbed (HCIT)-Einrichtung am JPL der NASA ist ein großes optisches Labor, das drei optische Prüfstände in Vakuumkammern beherbergt, die für die Weiterentwicklung von Coronagraph-Technologien für den Weltraum entwickelt wurden.
Der römische Prüfstand ist eine Vakuumkammer mit einem Durchmesser von 6 Fuß und einem zylindrischen Querschnitt von 7,5 Fuß und kann Tische mit einer Länge von bis zu 8 Fuß aufnehmen, wenn man die Ausbuchtung der Endkappentüren berücksichtigt. Stromkabel, Datenkabel, Wasserleitungen und optische Fasern werden durch Öffnungen in den Seitenwänden geführt. Zwei Anschlüsse werden von Kameranetzteilen belegt, um die auf dem Tisch montierten Kameragehäuse mit der Laborluft zu verbinden, was die Verwendung von Andor Neos CMOS-Kameras als wissenschaftliche Detektoren in der Kammer ermöglicht, obwohl sie nicht vakuumtauglich sind.
Der Tisch selbst ist ein 6,5 x 4 Fuß großer optischer Invartisch, der auf drei vakuumangepassten Minus K Technology Negative-Stiffness 500CM-1CV Isolatorbeinen steht, um den Tisch passiv von Vibrationen zu isolieren.
Diese Beine verfügen über einen manuellen Einstellbereich, der es ermöglicht, sie zurückzustellen, um Änderungen in der Gewichtsverteilung auf dem Tisch nach Hardwaremodifikationen zu berücksichtigen.
Der Prüfstand ist umfangreich mit Temperatursensoren und einigen Beschleunigungsmessern ausgestattet, und für die Zukunft sind Verschmutzungsmonitore geplant. Die Wandtemperatur der Kammer wird mit Hilfe eines einfachen Kontrollsystems auf ±0,1 K genau gehalten. Eine ausgefeiltere Steuerung dient der Stabilisierung der Temperatur des verformbaren Spiegels (DM)
temperatur auf Milli-K-Niveau zu stabilisieren.
In Roman werden die Bank und die Unterbank für die optische Teleskopbaugruppe (OTA) über unabhängige PI-Wärmeregelkreise gesteuert, die die mittlere Banktemperatur unter normalen Bedingungen auf 30 mK P-V stabilisieren. Die Kammer selbst wird durch einen PID-Regelkreis, der mit einer Heizband-Isolierschicht ausgestattet ist, auf einen Sollwert über der Laborumgebung geregelt und kann auf 50 mK P-V stabilisiert werden. Alle optischen Halterungen wurden aus Invar gefertigt, wobei die Optiken in Biegehalterungen eingeklebt wurden, um die Auswirkungen von thermischen Restschwankungen auf das System zu minimieren. Die primären
wärmequellen auf dem Tisch sind die beiden Kameras und die DM-Elektronik, die alle durch zwei externe Wasserkühlkreisläufe gekühlt werden.
Ein Teleskopsimulator auf einem Untertisch ist kinematisch an der nordwestlichen Ecke des Tisches angebracht und simuliert das vordere Ende des Teleskops. Dazu gehört ein Jitter-Mirror (JM), um Kippfehler kontrolliert in den Coronagraphen einzubringen, und ein Simulator für die optische Teleskopbaugruppe, der die stromaufwärts gelegene Pupille definiert und auch nicht kollimiertes Licht liefert.
Das Decadal Survey Testbed (DST) ist ein neuer, fortschrittlicher Prüfstand zur Demonstration der Coronagraphen-Technologien, die für eine Mission im Anschluss an Roman erforderlich sind, um erdähnliche Exoplaneten direkt abzubilden und zu charakterisieren. Das DST besteht aus einem Sternquellensimulator, zwei deformierbaren Spiegeln (DMs) zur Wellenfrontkontrolle, Coronagraphenmasken, einem Wellenfrontsensor und einer Abbildungskamera. Das optomechanische Design des DST minimiert Störungen durch das Labor und die lokale Umgebung.
Die Grundlage des DST bildet ein optischer Tisch aus Kohlefaser, der sehr stabil gegenüber thermischen Schwankungen ist. Außerdem verfügt es über eine aktive Temperaturregelung und die SM-1CV Negative-Stiffness-Vibrationsisolatoren von Minus K, die speziell für den Einsatz in der Vakuumkammer entwickelt wurden, um die Empfindlichkeit gegenüber mikroseismischen und Laborvibrationen zu verringern.
Erweiterung unseres Wissens Das römische Weltraumteleskop wird monatelang alle 15 Minuten Hunderte von Millionen von Sternen beobachten - etwas, was kein anderes Weltraumteleskop kann. Es wird Hunderte interessanter kosmischer Objekte aufspüren, darunter Zwergplaneten, Schurkenplaneten, braune Zwerge (zu massiv, um als Planeten bezeichnet zu werden, aber nicht massiv genug, um als Sterne zu entflammen), Kometen, Asteroiden und Sternenleichen, darunter Neutronensterne und schwarze Löcher, die zurückbleiben, wenn Sterne in unserem Sonnensystem ihren Brennstoff verbrauchen.

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