Max-Planck-Institut für Astronomie - Jahresbericht 2007

Kryogene Radmechanismen für die Instrumente miri
und nirSPec an Bord des JwSt
Das MPIA ist als einziges europäisches Institut an
der Entwicklung von zwei der vier wissenschaftlichen
Instrumente für das James Webb Space Telescope
(JWST) beteiligt. Das Institut entwickelt in enger
Zusammenarbeit mit C. ZeiSS (Oberkochen) die Filter
und Gitterrad-Mechanismen für miri und nirSPec – die
kryomechanischen Herzstücke, die die vollständige
Funktion dieser komplexen Instrumente gewährleisten.
Neben den Hardware-Beiträgen ist das MPIA auch
für die Elektronik des miri-Instruments verantwortlich.
Mitglieder des Instituts sind intensiv mit den Bodentests
an miri beschäftigt und darüber hinaus an den wissenschaftlichen
Teams für miri und nirSPec beteiligt.
Das Infrarot-Weltraumobservatorium JWST wird gemeinsam
von den US-amerikanischen, europäischen und
kanadischen Weltraumbehörden entwickelt. Der 6.5-m-
Spiegel des Observatoriums ermöglicht die Aufnahme
von Bildern, deren Schärfe den mit dem kleineren
hubbLe-Spiegel im optischen Bereich aufgenommenen
Bildern entspricht. Um eine Blendung der empfindlichen
Kameras durch ihre eigene Wärmestrahlung zu vermeiden,
wird der Primärspiegel auf – 230 C strahlungsgekühlt.
Diese »passive Kühlung« ist am Lagrange-Punkt
L 2 (etwa 1.5 Millionen km in antisolarer Richtung) möglich.
Die Nasa hat die Gesamtverantwortung für die
JWST-Mission, die 2013 an Bord einer ariaNe-5-Rakete
starten wird.
Das JWST ist mit vier wissenschaftlichen Instrumenten
ausgestattet, von denen zwei hauptsächlich in Europa gebaut
werden: Miri, eine Kamera mit Koronograph und
Abb. IV.5.3: Der Filterrad-Mechanismus für Miri, das Instrument
für das mittlere Infrarot. Das Rad trägt Filter, koronographische
Masken und ein Doppelprisma, und wird von einem
zentralen Drehmomentmotor bewegt. Die Positionierung er-
Gegengewicht
Verbindungsteil
Filterrad
IV.5 Instrumente für Weltraumobservatorien 121
Spektrometer für den mittleren Infrarotbereich (5 bis
28 µm), wird von einem Konsortium aus 20 europäischen
Instituten gebaut, wobei JPL die Detektoren und die kryomechanische
Kühlung liefert. NirsPec, ein Nahinfrarot-
Multiobjektspektrograph (1 bis 5 µm), der in der Lage
ist, mehr als 100 Objekte gleichzeitig zu beobachten,
wird von der esa und einem von EADS-astriuM
(Deutschland) angeführten Industriekonsortium gebaut.
Alle Fokalebenen-Instrumente müssen in einem Kryovakuum
bei Temperaturen zwischen – 267 C (Miri)
und – 240 C (NirsPec) betrieben werden, damit ihre eigene
Wärmestrahlung die kosmische Infrarotstrahlung
nicht überlagert. Beide Instrumente enthalten große optische
Wechselräder mit zahlreichen Gittern, Filtern,
Strahlteilern, Spiegeln, Prismen und koronographischen
Masken. Obwohl jeder Weltraumtechniker
versucht, Mechanismen mit Rädern zu vermeiden
(...Fehlfunktionen sind möglich...), sind leistungsfähige
wissenschaftliche Instrumente ohne bewegliche Teile
nicht herstellbar. Dank früherer erfolgreicher Entwicklungen
von solchen Mechanismen für die europäischen
Weltraumteleskope iso und herscheL war unser
Institut gut auf die hochriskanten Herausforderungen
vorbereitet und beteiligte sich an der Entwicklung
der Radmechanismen für Miri und NirsPec, die
noch höhere Anforderungen stellen als die vorherigen
Missionen.
Die Radmechanismen des JWST basieren auf einem
Ratschenprinzip (siehe Abb. IV.5.3): Auf dem Umfang
des Rades sind kleine Kugellager montiert, deren
Anzahl der Menge optischer Elemente entspricht. Ein
keilförmiges Element auf einem beweglichen Hebel rastet
zwischen zwei Kugellagern ein und bestimmt so
die Position des Rades mit einer Wiederholpräzision
folg durch eine Rast-Arretierung im äußeren Laufring des
Führungslagers. Der Mechanismus hat einen Durchmesser von
28 cm und ein Gesamtgewicht von 3 kg.
Magnetring
Verbindungsteil
Rast-
Arretierung
Halterung
Stator Interface
Platte
C84-Motor