Am 25. Dezember 2021 war es soweit: Das James‑Webb‑Weltraumteleskop (JWST) wurde mit einer Ariane 5 Trägerrakete in den Weltraum geschossen. 30 Flugtage nach dem Start hatte der Nachfolger des Hubble-Weltraumteleskops sein etwa 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entferntes Ziel – einen sogenannten Lagrange-Punkt – erreicht. Von dort bewegt sich das Teleskop zusammen mit der Erde um die Sonne. Mit seinen Spiegeln und Detektoren blickt es weit in die Vergangenheit zurück – bis in die Kinderstube unseres Universums. Dafür nutzt es Strahlung vom roten Teil des sichtbaren Lichts (0,6 µm) bis in das mittlere Infrarot (28 µm). Die Mission lautet: Erforschung der Frühzeit unseres Universums. Und seit 11. Juli sendet das JWST faszinierende Bilder aus den Tiefen des Weltalls. PI Technologie half gleich mehrfach an entscheidender Stelle beim Aufbau des mehrere Milliarden Dollar teuren Teleskops für die Infrarotastronomie.
Hexapod für Montage des Primärspiegels
Der leichte, ausfahrbare Haupt- oder Primärspiegel des JWST ist in 18 sechseckige Teile auf einer schwenkbaren Fläche mit einem Durchmesser von über 6,5 Metern unterteilt. In seiner entfalteten Betriebskonfiguration ist dieser Hauptspiegel fast so groß wie ein Tennisplatz. „Damit die Kombination der Spiegelsegmente wie ein einziger Spiegel funktioniert, müssen sie mit einer Genauigkeit von wenigen Millimetern zueinander platziert werden, und zwar auf den Bruchteil eines Millimeters genau. Ein menschlicher Bediener kann die Spiegel nicht so genau platzieren, deshalb haben wir ein Robotersystem entwickelt, das die Montage übernimmt", sagte Eric Smith, Programmdirektor des James-Webb-Weltraumteleskop der NASA, im Hauptquartier in Washington (Quelle: >> NASA).
Um die Segmente präzise zu installieren, kann sich der Roboterarm, an dessen Ende ein anwendungsspezifischer Hexapod von PI installiert wurde, in sechs Richtungen bewegen. So können die einzelnen Spiegelelemente hochpräzise über der Teleskopstruktur bewegt und positioniert werden. Während ein Team von Ingenieuren den Roboterarm manövriert, nimmt ein anderes Team von Ingenieuren gleichzeitig Messungen mit Lasern vor, um sicherzustellen, dass jedes Spiegelsegment perfekt platziert, verschraubt und verklebt ist, bevor das nächste Element montiert wird.
Vermessung der Spiegel beim Abkühlen
Die Spiegelsegmente und deren Trägerstruktur sind beim Abkühlen auf die Temperaturen im Weltall hoher thermischer Belastung ausgesetzt. Die daraus resultierenden Verformungen im Voraus zu ermitteln und beim Design zu berücksichtigen, ist eine besondere Herausforderung. Um das Verhalten beim Abkühlen zu beobachten, wurden an der X-ray & Cryogenic Facility (XRCF) des Marshall Space Flight Center optische Wellenfronttests und thermische Strukturverformungstests durchgeführt. Bei dem komplexen Testaufbau kam eine kundenspezifische Variante des H-850 Hexapods zum Einsatz. Auf dem Hexapoden wurde ein spezifisches Interferometer montiert, welches die Spiegelverformung beim Abkühlen erfasst. Der Hexapod ermöglicht eine einfache und gleichzeitig hochpräzise Positionierung und Ausrichtung des Interferometers bei jedem Temperatur-Sollwert.
Kalibrierung des NIRSpec Instruments
Das im JWST integrierte NIRSpec (Near Infrared Spectrograph) Instrument ist ein Spektrograf für den Wellenlängenbereich von 0,6 bis 5 µm. Es kann Spektren von bis zu 100 Objekten gleichzeitig aufnehmen. Bei der Kalibrierung dieses Instruments, wurden die Einsatzbedingungen im Weltraum simuliert, insbesondere Temperaturen von 77 K (-196,1 °C) und Hochvakuum. Hierbei kamen mehrere Linearachsen von PI zum Einsatz. Durch Verwendung eines speziellen Aluminiumwerkstoffs, Dispal®, gelang es die Achsen so zu konzipieren, dass sie unter den vorgegebenen klimatischen Bedingungen fehlerfrei arbeiteten.
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