Cool sein genügt nicht
Eine der größten Herausforderungen an die Raumfahrtingenieure stellen die äußerst komplexen Kühlsysteme dar, die sowohl Herschel als auch Planck benötigen, um richtig arbeiten zu können. Die Krux rührt aus der Spezifik der Untersuchungsbereiche her. Beide Teleskope haben Zielobjekte im Visier, deren emittierte Wärmestrahlung oft Temperaturwerte von nur wenigen Kelvin erreicht. Hochempfindliche Detektoren müssen daher auf Temperaturen dicht beim absoluten Nullpunkt von 0 Kelvin, das entspricht minus 273,15 Grad Celsius, gekühlt werden.
Mit anderen Worten: Die Lebensdauer beider Teleskope hängt in entscheidendem Maße davon ab, wie lange die Instrumente gekühlt werden können. So ist es auch nicht verwunderlich, dass der größte Anteil der Nutzlast auf Kühlmittel entfällt – bei Herschel sind es 2300 Liter flüssiges Helium, bei Planck 1500 Liter.
Herschel: Überdimensionale Thermoskanne als Kühlbehälter
Für Herschel haben die Satellitenbauer von EADS Astrium in Friedrichshafen einen Kühlbehälter in Form einer überdimensionalen Thermoskanne von 3 x 3 Meter gebaut. Das Innere dieses Kryostaten schützt die drei empfindlichen Instrumente vor der Wärmestrahlung, die beim Betrieb des Raumflugkörpers entsteht, und kühlt sie zugleich auf eine konstante Temperatur von minus 271 Grad Celsius ab. Bei einer Verdampfungsrate von zwei Milligramm pro Sekunde reicht der Helium-Vorrat theoretisch für eine vierjährige Mission.
Die aktive Kryostat-Kühlung wird durch eine effiziente passive Kühlung ergänzt: Ein großes Schutzschild schirmt das Teleskop vor der Wärmestrahlung der Sonne und der Erde ab und hält es permanent im Schatten. Der Teleskopspiegel kann auf diese Weise konstant auf etwa 80 Kelvin (-193 Grad Celsius) gekühlt werden. Die sonnenzugewandte Seite des Schildes ist sinnvoller Weise mit Solarzellen bestückt.
Planck: Kälter als das Universum
Planck nutzt ähnliche Mechanismen der aktiven und passiven Kühlung. Für den Betrieb der beiden Hauptgeräte, dem Niederfrequenzinstrument LFI und dem Hochfrequenzinstrument HFI, muss die Betriebstemperatur auf die benötigten 20 Kelvin beim LFI und gar auf 0,1 Kelvin (!) beim HFI optimiert werden, das damit kälter als das Universum ist. Eine derart anspruchsvolle Kühlung gab es in den mehr als fünf Jahrzehnten aktiver Raumfahrt bislang noch bei keinem Raumsondengerät. Die kryogene Leistung wird durch Kombination einer passiven Kühlung von drei thermischen Abschirmungen mit einer aktiven Kühlerkette erreicht. Letztere besteht aus drei unabhängigen Kühlern, die als ein einziges integriertes System arbeiten.
Doch cool sein allein reicht nicht aus. Die 0,1 Kelvin-Stufe muss darüber hinaus vibrationsfrei sein. Dies wird durch mehrere Kompressoren erreicht, die die über elektronische Sensoren festgestellten Vibrationen ausgleichen.
Noch ein Beispiel, dessen Zahlen das menschliche Vorstellungsvermögen übersteigen: Plancks hochsensible Empfänger nehmen alle Arten von Energie extrem genau wahr – elektrische, thermische und mechanische – und erfassen dabei Energieunterschiede von zehn Milliardstel eines Milliardstels Watt. Das wiederum bedeutet, dass alle Arten störender Energiequellen um das 1020-fache unterdrückt werden müssen.
Mindestens 15 Monate soll die Primärmission dauern. Optimisten hoffen natürlich auf mehr. Wenn dem Teleskop aber das Kühlmittel ausgeht, ist seine Zeit abgelaufen. Das gilt auch für Herschel.
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