SOFIA-Projekt

Qualitätsprüfung des Spiegelträger-Rohlings aus Zerodur® Glaskeramik auf der Bearbeitungsmaschine. (Foto: SCHOTT/N. O’Sullivan)
Gerhard Samulat

Sternwarte im Jumbo-Jet

Ein fliegendes Teleskop stößt bis an die Grenzen der irdischen Lufthülle vor. Astronomen erwarten von dort aus einen klaren Blick ins All.

Über den Wolken...” muss die Aussicht wohl grenzenlos sein – die Astrophysiker hatten vielleicht das bekannte deutsche Chanson im Kopf, als sie auf die Idee kamen, ein tonnenschweres Großteleskop in einen Jumbo-Jet einzubauen. Das Gemeinschaftsprojekt der NASA und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) trägt den Namen SOFIA, was für Stratospheric Observatory For Infrared Astronomy steht. In luftiger Höhe soll es einen ungetrübten Blick auf Sterne und Galaxien werfen.

Viele Teile des Instruments sind bereits eingebaut und werden nun geprüft. Das gilt auch für das „Herzstück” des fliegenden Observatoriums, den großen, runden Spiegelträger aus Zerodur® Glaskeramik von SCHOTT. Er hat einen Durchmesser von 2,7 Metern und ist damit größer als der vom Hubble-Weltraumteleskop. Mit 850 Kilogramm wiegt der Spiegel aber nur einen Bruchteil des Gewichts der Passagiere, die das ehemalige Verkehrsflugzeug früher durch die Lüfte trug.

Leichtgewichtiger Spiegel

Damit die umgebaute 747 SP (Special Performance) – eine verkürzte Version eines Jumbo-Jets, der vorher bei verschiedenen Fluggesellschaften seinen Dienst tat – trotz dieser ungewöhnlichen Ladung nicht hecklastig wird, wurde aus dem zunächst tonnenschweren Glaskeramik-Rohling ein filigranes, wabenförmiges Leichtgewicht von nur 35 Zentimetern Dicke geschliffen. Diese Abspeckkur spart auf den Flügen Kerosin und schont Kosten wie Umwelt.

Die Entscheidung für Zerodur® Glaskeramik als Spiegelträgermaterial fiel den Ingenieuren und Technikern nicht schwer. „Die präzisionspolierte Glaskeramik verzieht sich selbst unter den extremen Bedingungen der geplanten Flughöhe von bis zu 13.000 Metern – das sind einige Kilometer über den Flugrouten von Linienmaschinen – kaum merklich; obgleich hier eisige Temperaturen von minus 60 Grad Celsius herrschen”, erläutert Dr. Thorsten Döhring, Projekt Manager Astro/Space von SCHOTT. Wegen dieser Formstabilität bleiben die Aufnahmen der astronomischen Objekte stets gestochen scharf.

Erik Lindbergh, Enkel des Flugpioniers Charles Lindbergh, taufte das Forschungsflugzeug im Rahmen einer Festveranstaltung auf der Edwards Air Force Base (Kalifornien/USA) auf den Namen »Clipper Lindbergh«. (Foto: NASA)
Erfolgreicher Erstflug

Am 26. April 2007 fand in Texas (USA) der Jungfernflug der umgebau­ten Maschine statt. „Die Integration des Teleskops war eine Herausforderung für alle Beteiligten”, erläutert SOFIA-Projektleiter Dr. Dietmar Lilienthal von der DLR, den mit seinem berühmten Namensvetter, dem Flugpionier Otto Lilienthal aber ausschließlich die gleiche Geisteshaltung verbindet. „SOFIA und das in Deutschland entwickelte Teleskop haben den ersten Flug gut überstanden,” ergänzt Professor Hans-Peter Röser vom Deutschen SOFIA Institut in Stuttgart. Das freut auch die Mainzer MT-Mechatronics GmbH und die Münchener Kayser-Threde GmbH, die das Beobachtungsgerät im Auftrag der DLR gebaut haben. Neben den Triebwerksvibrationen des Flugzeugs sind es vor allen Dingen Turbulenzen, die an dem Teleskop rütteln. Aus diesem Grund ist das Fernrohr auf Luftpolstern gelagert. Damit ein angepeiltes Objekt zudem stets im Brennpunkt bleibt, führt eine Automatik den Spiegelträger präzise nach.

Noch sind viele Tests und Montagearbeiten nötig, bis das fliegende Himmelsauge von seinem Heimatflughafen, dem NASA Dryden Flight Research Center in der Edwards Air Force Base bei Los Angeles (Kalifornien/USA), zu seinen ersten wissenschaftlichen Missionen starten kann. Bis zu 15 Experten aus Deutschland werden die Experimente begleiten. In einer Höhe von über 12.000 Metern öffnen sie ein etwa vier mal sechs Meter großes Rolltor, das im Heck der Maschine liegt, und spähen dann an drei bis vier Nächten pro Woche jeweils mehrere Stunden ins All.
Das kompakte Teleskop mit dem hier noch abgedeckten 2,7-Meter-Spiegel befindet sich in einer Luke im Heck des Flugzeugs. (Foto: NASA)
Flexibler neue Phänomene erforschen

SOFIA hat zudem weitere unschätzbare Vorteile: Im Gegensatz zu Beobachtungssatelliten ist die Maschine nicht an feste Umlaufbahnen gebunden. Auch kann Sie jeden größeren Flughafen der Erde anfliegen. Dort lassen sich neue Komponenten einbauen, Instrumente auswechseln oder Sensoren ergänzen, beispielsweise um kurzzeitige Phänomene zu studieren, die nur von bestimmten Orten aus sichtbar sind, Sonnenfinsternisse zum Beispiel oder partielle Sternabdeckungen. Mit der fliegenden Sternwarte wollen die Wissenschaftler Licht mit Wellenlängen zwischen 0,3 und 1600 Mikrometern einfangen, insbesondere die unsichtbare Wärmestrahlung. Sie macht einen beachtlichen Teil der Strahlkraft des Universums aus. So leuchten einige kosmische Strukturen in diesem Spektralbereich etwa tausendmal heller als im optischen. Das bleibt erdgebundenen Teleskopen oft verborgen, da dieser Teil des Spektrums meist von Wolken und Wasserdampf verschluckt wird, weswegen er nur wenig erforscht ist. Das soll SOFIA ändern, lässt es doch gut 99 Prozent der Luftfeuchtigkeit der Atmosphäre unter sich. Da die Infrarotstrahlung selbst interstellare Staubwolken durchdringt, eröffnet SOFIA Blicke auf bislang unentdeckte interstellare Strukturen – Galaxien, Sternhaufen oder auf die Geburtsstätten junger Sterne. „Die Daten werden unsere Vorstellungen über die Zusammensetzung des interstellaren Mediums und die Prozesse der Sternentstehung in unserem Kosmos erheblich erweitern”, verspricht Prof. Jürgen Stutzki von der Universität Köln und derzeit Sprecher der SOFIA-Wissenschaftler. Alle sind sehr zuversichtlich, dass SOFIA ein voller Erfolg wird. Erste Tests verliefen überaus vielversprechend. Analysen zeigen ferner, dass das fliegende Observatorium eine etwa zehn­­mal höhere Empfindlichkeit erreicht und eine dreifach bessere Auflösung als sein Vorgängermodell, das Kuiper Air­borne Observatory, mit dem beispielsweise die Ringe um den Planeten Uranus entdeckt wurden.
Durch wabenförmiges Ausschleifen wurde aus dem tonnenschweren Glaskeramik-Substrat ein filigraner Leichtgewichtspiegel hergestellt. (Foto: NASA)
Doch bevor SOFIA für wissenschaftliche Zwecke in die Lüfte stieg, fand noch ein symbolträchtiger Akt statt: Erik Lindbergh, ein Enkel des legendären Flugpioniers Charles Lind­bergh, der 1927 als erster Mensch über den Atlantik flog, taufte das Forschungsflugzeug auf den Namen »Clipper Lindbergh«. Ein Name, den die Maschine vor ihrem Umbau bereits vor Jahren von Lindberghs Witwe Anne Morrow Lindbergh erhielt. Alle betrachten das als gutes Omen.