Das Ende von SOFIA

Acht Jahre lang forschte die fliegende Sternwarte SOFIA im Bereich des Infrarotspektrums rund um den Globus. Im April 2022 wurde das Ende des Projekts zum 30. September verkündet.

Diese Entscheidung traf das Gremium der amerikanischen Nationalen Akademie der Wissenschaften, des Ingenieurwesens und der Medizin, welches über zukünftige Forschungsprojekte in der USA entscheidet. Für die NASA ist es obligatorisch, dieser Entscheidung zu folgen. Als offizieller Grund werden die enorm hohen Kosten und die Tatsache, dass es nun Geräte gibt, die die gleichen Beobachtungen deutlich preisgünstiger durchführen können, genannt. 85 Millionen US-Doller verschlang SOFIA jährlich. Damit waren dies die höchsten Kosten für ein Projekt im Bereich Astrophysik. Lediglich das Hubble Weltraumteleskop schlägt noch mehr zu Buche. Allerdings mehren sich die Meinungen, dass es eine rein politische Entscheidung war.

Grund genug für einen Rückblick:

Die liebliche Abkürzung SOFIA steht für Stratospheric Observatory For Infrared Astronomy (Stratosphärenobservatorium für Infrarotastronomie). Das Flugzeug selbst ist eine Boeing 747SP. Die beiden Buchstaben stehen für Special Performance, welche in der Ultra-Langstrecke begründet ist. 10.800km kann sie nonstop zurücklegen. In den 70er Jahren entstand der verkürzte Jumbojet u.a. auf Nachfrage von Pan American World Airways (Pan Am). Die Airline wollte ein Flugzeug mit hoher Passagierkapazität, das die Strecke von New York bis in den Mittleren Osten schaffte.

Im Mai 1977 wurde genau jene Boeing 747SP mit dem Taufnamen „Clipper Lindbergh“ an Pan Am ausgeliefert. Knapp neun Jahre lang stand sie in deren Diensten, bis sie 1986 an United Airlines überschrieben wurde. Im Oktober 1997 erwarb sie schließlich die National Aeronautics and Space Administration (NASA) und begann mit dem Umbau des Flugzeugs in Waco, Texas. In den hinteren Rumpf wurde eine Rolltür geschnitten, die während des Fluges geöffnet werden kann. Darin wurde ein 17 Tonnen schweres 2,7 Meter-Teleskop eingesetzt.

Zehn Jahre dauerte es, bis SOFIA zu einem Erstflug mit vollständig eingebautem Teleskop abheben konnte. Zwei Jahre später, im Dezember 2009, wurde die Tür zum ersten Mal während eines Fluges geöffnet, gefolgt vom ersten wissenschaftlichen Beobachtungsflug im November 2010. Seit Mai 2014 ist SOFIA voll einsatzfähig. Sie löste das Kuiper Airborne Observatory (KAO) ab, welches von 1974 bis 1995 in Einsatz war und mit einer C-141A Starlifter betrieben wurde.

Die fliegende Sternwarte ist ein Gemeinschaftsprojekt des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der NASA. 80% der Finanzierung und des Personals sicherte die NASA, 20% das DLR. Lufthansa Technik in Hamburg übernahm die Wartung des Jumbos. Stationiert war SOFIA in Palmdale, Kalifornien. Viermal pro Woche wurden von dort bis zu 10 stündige Beobachtungsmissionen durchgeführt. Der Jumbo flog dabei in der Stratosphäre in Höhen von etwa 14km. Dort sind bereits 99,9% des Wasserdampfs unserer Atmosphäre überwunden, welcher Infrarotstrahlung verschlucken würde. Somit ist ein ungestörter Blick auf die Sterne und anderen Beobachtungsobjekte im infraroten Spektrum möglich.

Der Hauptbeitrag Deutschlands ist das Teleskop mit seinem Spiegel aus Zerodur. Es handelt sich hierbei um eine Kombination aus Newton- und Cassegrain-Teleskop mit Nasmyth-Focus. Gebaut wurde es von den deutschen Firmen MAN Technologie AG und Kayser-Threde. Um die Vibrationen des Fluges, sei es von den Triebwerken oder auch vom Luftstrom der während des Fluges geöffneten Rolltür, auszugleichen, ist das Teleskop sowohl mit Luftfedern als auch mit einem 1,20m durchmessenden hydrostatischen Lager ausgestattet. Es gleitet auf einem nur 50 Mikrometer dünnen Ölfilm. Dieser würde es möglich machen, das tonnenschwere Teleskop bei gelösten Bremsen mit nur einem Finger zu bewegen. Durch diese Lagerung und die Steuerung des Teleskops selbst können bis zu drei Grad Abweichung ausgeglichen werden. Dies verlangt somit von den Piloten, den Kurs auf +/- 3 Grad genau einzuhalten.

Die Bewegung des Teleskops wird mit Hilfe von Magnetfeldern bewerkstelligt. Am Teleskop selbst sind magnetische Spulen montiert, an der Halterung Magnete. Mit elektrischen Strömen kann das Teleskop so zwischen Höhen von +17 bis +65 Grad über dem Horizont bewegt werden. Objekte, die sich unter- oder überhalb dieser Höhe befinden, sind für das Teleskop nicht erreichbar.

Um das Teleskop immer genau auf das gewünschte Objekt ausrichten und präzise halten zu können, wird ein Referenzpunkt am Himmel benötigt. Das sind ausgewählte Sterne in der Nähe des zu beobachtenden Objekts. Mit zwei weiteren kleineren Teleskopen, die am oberen Rand des Hauptteleskops befestigt sind, und einer Guide-Kamera, welche direkt durch das Hauptteleskop blickt, wird dieser Referenzpunkt angepeilt und auf diesen nachgeführt. Es wird eine Genauigkeit von 0,2 Bogensekunden erreicht und Strahlung mit Wellenlängen zwischen 0,3 und 1600 Mikrometern detektiert.

Da mit den Infrarotinstrumenten verschiedene Temperaturen aufgezeichnet werden, muss die Instrumentierung gekühlt werden. Dies geschieht mit Kühlmittel. Denn sonst würden die Messgeräte die eigene Wärmestrahlung oder die des Teleskops detektieren. Je nach Instrument wird auf bis zu 0,3 Grad über dem absoluten Nullpunkt heruntergekühlt.

Im Überblick die deutschen Instrumente an Bord:

  • GREAT (German REceiver for Astronomy at Terahertz Frequencies). Hierbei handelt es sich um ein hochauflösendes Spektrometer für den Wellenlängenbereich von 60-240 Mikrometern

  • FIFI-LS (Far-Infrared Field-Imaging Line Sprectrometer). Dies ist ein abbildendes Spektrometer, welches in Wellenlängenbereichen von 51 bis 203 Mikrometern gleichzeitig Fotos und Spektren aufzeichnen kann.

  • FPI+ (Focal Plane Imager Plus). Mit dieser hochempfindlichen Kamera können schnelle Bildfolgen von kurzzeitigen und schnell stattfindenden Ereignissen gewonnen werden.

Primär wurde mit den Instrumenten von SOFIA die Zusammensetzung planetarer Oberflächen und Atmosphären, die Zusammensetzung und Struktur von Kometen, die Chemie und Physik des interstellaren Mediums, Sternentstehungsregionen, himmlische Magnetfelder sowie die Entstehung von stellaren Objekten und Sternen ins Visier genommen. Dabei wurden hauptsächlich Objekte in unserer Milchstraße beobachtet.

Die bedeutendsten Entdeckungen und Beobachtungen von SOFIA:

– Oktober 2020: Entdeckung von molekularem Wasser auf der sonnenbeschienenen Seite des Mondes.

– April 2019: Erste Beobachtung von Heliumhydrid, welches als das erste Molekül gilt, das nach dem Urknall entstanden ist.

– Juli 2017: Beobachtung einer Sternbedeckung durch das transneptunische Objekt 486958 Arrokoth (auch bekannt als Ultima Thule). Da bodengebundene Teleskope diese Bedeckung nicht verfolgen konnten, war SOFIA‘s Beobachtung essentiell für die Vorbereitung des Besuchs der Raumsonde New Horizons, welche diesen Himmelskörper 2019 besuchte.

– Anfang 2017: Beobachtungen des Zwergplaneten Ceres im mittleren Infrarot trugen wesentlich zur Entdeckung von fremden Asteroidenstaub auf deren Oberfläche bei.

– Anfang 2016: SOFIA wies erstmals wieder atomaren Sauerstoff in der Atmosphäre des Mars nach, was davor 40 Jahre lang nicht möglich war.

– Juni 2015: Aufgrund einer Sternbedeckung durch Zwergplanet Pluto konnte dessen Atmosphäre untersucht werden. Der Planetenschatten wurde nahe Neuseeland mitten im Pazifik, wo kein Teleskop beobachten konnte, auf die Erde geworfen. Durch eine Verlegung von SOFIA an diesen Ort konnte die Beobachtung jedoch ermöglicht werden.

An Bord der fliegenden Sternwarte sieht es überraschend übersichtlich aus. Im Oberdeck des Jumbos sind normale Sitze installiert. Im Hauptdeck vor der Treppe nach oben befinden sich ebenso Sitze sowie das Mission Control and Communication System (MCCS). Dieses verbirgt sich hinter unscheinbaren blauen Schränken. Das MCCS stellt die Verbindung zwischen allen Geräten und Systemen sicher und speichert dessen Daten.

Hinter der Treppe zum Oberdeck beginnen die wissenschaftlichen Stationen. An einem Konferenztisch können sich Wissenschaftler mit dem Betriebspersonal, dem Flugplaner und dem Mission Director über die aktuellen Beobachtungen austauschen.

Daneben befindet sich die Konsole für Multiplikatoren. Das können Lehrkräfte von Schulen sein, die dort den wissenschaftlichen Betrieb an Computern verfolgen können, um das Wissen dann an die Schüler zu Hause weiterzugeben.

Weiter hinten folgt die Konsole des Mission Directors und Flugplaners. Hier liegt die Gesamtkontrolle über alle wissenschaftlichen Operationen während des Fluges. Im Bedarfsfall können die Beobachtungsziele und auch die Flugroute von hier aus geändert werden.

Dann folgt die Teleskopstation, von wo aus Ingenieure die Leistungsfähigkeit des Teleskops überwachen und testen können, sowie die Instrumentenkonsole, von wo aus die aktuell montierten Instrumente bedient werden.

Zuletzt war das die HAWC+ (High-resolution Airborne Wideband Camera Plus), eine hochauflösende Ferninfrarotkamera, welche sich unmittelbar vor dem Druckschott am Ende der Kabine befindet. Hinter diesem schließlich liegt das Herz der fliegenden Sternwarte: das Teleskop selbst.

Für die Piloten ändert sich nicht viel. Das Dreimann-Cockpit wurde im Dezember 2012 zu einem Glascockpit modernisiert. Lediglich die Konsole des Bordingenieurs hinter den Piloten wurde fast komplett original belassen. Sowohl vom Cockpit als auch von einer Konsole in der Kabine aus kann die Rolltür des Teleskops gesteuert werden. Für deren Öffnung muss ein komplexes Computerprogramm durchlaufen werden. Erst dann bewegt sich der Mechanismus und öffnet die Tür innerhalb von knapp 30 Sekunden. Das Handling im Flug unterscheidet sich für die Piloten nur wenig von dem ihrer Kollegen im Liniendienst. Nach vorangegangener Abstimmung mit der Flugsicherung in der Flugplanung müssen sie den Kurs mit maximalen Abweichungen von +/- 3 Grad präzise abfliegen. Bei geöffneter Teleskoptür steigt der Spritverbrauch lediglich um etwa drei Prozent und auch die Trimmung ändert sich kaum.

Ursprünglich war die Mission SOFIA auf 20 Jahre festgelegt worden. Jedoch kürzte die NASA diese 2015 ohne Absprache mit dem DLR auf eine fünfjährige Primärmission und verlängerte dann noch einmal um drei Jahre bis 2022. Fünf Mar SOFIA auch in Deutschland zu Gast und besuchte Köln und Stuttgart, sowie Hamburg zur Wartung. Nach 921 durchgeführten Beobachtungsflügen in den letzten acht Jahren für die Forschung und Wissenschaft kam das Projekt nun am 30. September zu einem Ende. Was mit dem Jumbo passiert, ist ungewiss. Die NASA möchte das komplette Observatorium in ein Museum stellen, die deutsche Astronomische Gesellschaft möchte das Teleskop gerne mit optischen Instrumenten am Boden betreiben. Andere Gerüchte besagen, die NASA hätte den Jumbo bereits zum Verkauf ausgeschrieben. Vielleicht findet sich ja ein Abnehmer, der die 747 wieder in die Luft bringt und Fans in aller Welt begeistert…

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