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Ein weiteres Teilchen für Einsteins kosmisches Puzzle

LISA-Pathfinder soll den Weg zur Entdeckung von Gravitationswellen ebnen, einer der am schwersten fassbaren Kräfte im Universum.

Die Tests zu zwei entscheidenden Aspekten der LISA-Pathfinder-Mission wurden Ende 2011 abgeschlossen. Konkret ging es dabei um die Sicherstellung einer hochstabilen Umgebung an Bord der Raumsonde sowie um die Messgenauigkeit ihrer Instrumente. Die Mission soll den Weg zur Entdeckung von Gravitationswellen ebnen, einer der am schwersten fassbaren Kräfte im Universum. Airbus Defence and Space wird als Hauptauftragnehmer den Satelliten dafür liefern.

Allein schon die Menge der Dinge, die wir lernen mussten und die niemand vor uns gemacht hat, ist erstaunlich. Die Gravitationsmodellierung ging beispielsweise so sehr ins Detail wie niemals zuvor, und dann war es auch noch notwendig, eine magnetisch abgeschirmte Kammer zur Messung des magnetischen Rauschens zu entwickeln“, erinnert sich Neil Dunbar, Spacecraft Engineering Manager bei LISA Pathfinder am Standort Stevenage. Das Programm dient dabei selbst nur zur Vorbereitung einer größeren Mission: LISA Pathfinder soll 2014 gestartet werden, um Technologien für ein geplantes neues Gravitationswellenobservatorium (NGO, New Gravitational wave Observatory) zunächst in kleinerem Rahmen zu erproben; viele dieser Technologien sind Innovationen, die erstmals eingesetzt werden.

Das Elektrodengehäuse ist ein Würfel mit einer Seitenlänge von ca. 70 mm. Die Testmasse des LISA Technology Package (LTP) – bestehend aus einer Gold-Platin-Legierung – wird in diesen Würfel eingefügt und darin im All mit nur vier Millimeter Abstand von jeder Seite schweben. (© ESA)Das NGO ist ein Kandidat für die nächste Generation von „Cosmic Vision“-Missionen der ESA, die Anfang der 2020er Jahre gestartet werden sollen. Das Observatorium soll Gravitationswellen entdecken – Fluktuationen im Gewebe von Raum und Zeit. Wie? Mittels laserinterferometrischer Messung des Abstands zwischen frei schwebenden Würfeln an Bord von Sonden, die eine Million Kilometer voneinander entfernt durchs All fliegen. Unter idealen Bedingungen wäre zu erwarten, dass die frei schwebenden Würfel exakt synchronisierte Bewegungen vollführen. Sollte sich jedoch eine Gravitationswelle durchs All ausbreiten, müsste nach Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie eine winzige Verzerrung des Raumgefüges selbst feststellbar sein.

Jeder der drei Satelliten der dreieckigen NGO-Konstellation wird jeweils zwei der Würfel oder Testmassen mit sich führen. Die Mission soll Fragen zu den physikalischen Gesetzen des Universums beantworten. Das Ziel ist die Entdeckung von Signalen, die auf massive schwarze Löcher, Binärsysteme aus kompakten Sternen in der Milchstraße und möglicherweise auch auf die früheste Phase des Urknalls zurückgehen. Für die LISA Pathfinder Mission wird ein einziger Satellit mir zwei Testmassen an Bord gebaut werden, um so die für das Weltraum-NGO benötigte Technologie auszutesten. „Dies ist das faszinierendste Programm, an dem ich je gearbeitet habe“, fügt Ian Honstvet, Projektleiter von LISA Pathfinder und ebenfalls aus Stevenage, begeistert an.

Als erste Herausforderung muss bei der hochkomplexen LISA-Pathfinder-Mission an Bord der Raumsonde im Weltraum eine Umgebung hergestellt werden, die so stabil ist, dass die Testmassen von allen externen Einflüssen mit Ausnahme der Gravitationswellen abgeschirmt sind und sich auf ihrer Flugbahn so in einem perfekten gravitationellen freien Fall befinden. Die Raumsonde wird deshalb zurzeit um die Testmassen herum aufgebaut, d. h. um die Gold-Platin-Würfel mit 46 mm Seitenlänge, die elektrostatisch in einem Gehäuse aufgehängt sind, das sich wiederum selbst in einem Vakuumzylinder innerhalb der optischen Bank, einem Subsystem des Satelliten, befindet.

Das LISA Pathfinder Core Assembly – konstruiert vom Friedrichshafener Architektenteam für das LISA Test Package. Das Strukturmodell des LCA von oben gesehen, so wie es in der zylindrischen Supportstruktur des Satelliten integriert werden wird.

Das LISA Pathfinder Core Assembly – konstruiert vom Friedrichshafener Architektenteam für das LISA Test Package. Das Strukturmodell des LCA von oben gesehen, so wie es in der zylindrischen Supportstruktur des Satelliten integriert werden wird.

Komplexe Entwicklungsaufgaben

„Der Werkstoff für die beiden Würfel ist hoch reflektiv, schwer magnetisierbar und sehr leitfähig – die Würfel bauen also keine Temperaturgradienten oder Ladungstaschen auf“, erklärt Dunbar. „Der Nachteil besteht allerdings in der strukturellen Schwäche des Materials. Diese ist zwar nicht weiter problematisch, wenn die Würfel erst frei im Gehäuse schweben, aber sie könnte beim Start zu Beschädigungen führen.“ Die Würfel müssen also mit Hilfe von acht „Fingern“ in Position gehalten werden, bis der Satellit seine endgültige Position erreicht hat. „Das Lösen der Würfel ist eine heikle Sache“, so Dunbar weiter. „Die Entwicklung des Käfigmechanismus, der die Testmassen erst sicher hält und dann sanft loslässt, war für das Instrumententeam in Friedrichshafen deshalb keine geringe Herausforderung.“

Ob tatsächlich ein gravitationeller freier Fall erreicht wird, lässt sich nur im Weltraum verifizieren. Die Tests, die 2011 in Ottobrunn auf Systemebene durchgeführt wurden, haben jedoch gezeigt, dass wesentliche Elemente der Raumsonde bereits flugbereit sind. Das Versuchsprogramm umfasste Schwingungs- und Erschütterungsprüfungen, die Erprobung der elektromagnetischen Verträglichkeit sowie thermische Tests im Vakuum. Auch die Umsetzbarkeit kritischer Anforderungen, etwa die Herstellung einer überaus stabilen thermischen Umgebung, ein entrem reiner EMC sowie eine magnetische Umgebung, wurde am Boden erfolgreich nachgewiesen.

Vakuumprüfungen in Ottobrunn im Oktober 2011.

Vakuumprüfungen in Ottobrunn im Oktober 2011.

Messungen im Quantenbereich

Die Systemtests in Ottobrunn im vergangenen Herbst bestätigten darüber hinaus die geradezu unglaubliche Messgenauigkeit, die für die Beobachtung von Gravitationswellen erforderlich ist – die zweite große Herausforderung bei dieser Mission. Letztlich sollen im Rahmen der NGO-Mission niederfrequente Wellen mit einer Auflösung von 10 Picometern gemessen werden, was einer Empfindlichkeit von einem Teil in 1021 entspricht. Die Präzision des Subsystems für die optische Messtechnik wurde bei den thermischen Simulationsprüfungen mit Spiegeln anstelle der Testmassen untersucht. Bei den Versuchen im letzten Herbst konnte nun eine unglaubliche Auflösung von zwei Picometern erreicht werden, womit die bisher beste Leistung eines Instruments dieser Art weit übertroffen wurde.

Diese Tests haben auch die Tauglichkeit der meisten Komponenten des Satellitensystems für die mechanischen und elektromagnetischen Bedingungen beim Start sowie für die Temperaturextreme während der nachfolgenden Missionsphasen im Weltraum nachgewiesen, was dem besonderen Engagement der verantwortlichen Teams für die Raumsonde und Instrumente zu verdanken ist.

Dunbar und Honstvet betonen aber beide, dass LISA Pathfinder noch einen weiten Weg vor sich hat. So befindet sich insbesondere das Subsystem für den Mikroantrieb nach wie vor in der Entwicklung, und die Konstruktionsteams werden auch nach dem Start der nominell auf sechs Monate angelegten Mission weiter arbeiten. Honstvet: „Die Tests während des Flugs werden die tatsächliche Leistung dieser Demonstrationsmission sowie die Tauglichkeit für die zukünftige NGO-Mission feststellen.“

 

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