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Stratosphären-Observatorium für Infrarot-Astronomie

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SOFIA ist eine Weiterleitung auf diesen Artikel. Für weitere Bedeutungen siehe Sofia (Begriffsklärung).
Stratosphären-Observatorium für Infrarot-Astronomie
SOFIA-Erstflug am 26. April 2007
Typ Boeing 747-SP „SOFIA“
Entwurfsland
Hersteller Boeing (Flugzeug)
NASA und DLR (Missionsausrüstung)
Erstflug 26. April 2007
Indienststellung 30. November 2010
Stückzahl 1
KAO und SOFIA, Ames Research Center 2008
Der Hauptspiegel vor der Beschichtung

Das Stratosphären-Observatorium für Infrarot-Astronomie (englisch Stratospheric Observatory For Infrared Astronomy, SOFIA) war ein fliegendes Teleskop, das die NASA gemeinsam mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) für Infrarotastronomie entwickelte. Dafür wurde an Bord einer umgebauten Boeing 747-SP mit dem Kennzeichen N747NA ein Spiegelteleskop installiert. Gegenüber erdgebundenen Infrarotteleskopen bietet es den Vorteil, dass es oberhalb der Troposphäre fliegt, welche einen Großteil der Infrarotstrahlung absorbiert. SOFIA war von November 2010 bis September 2022 im Einsatz. Dann wurde das Projekt vor allem wegen der hohen Unterhaltskosten eingestellt.

Planung und Geschichte

SOFIA war für eine Betriebsdauer von 20 Jahren ausgelegt. Das Flugzeug wurde vom NASA DAOF (Dryden Aircraft Operations Facility) in Palmdale, Kalifornien betrieben. SOFIA löste das Kuiper Airborne Observatory (KAO) ab,[1] das von 1974 bis 1995 im Einsatz war.

Zweck des Teleskops war es zum einen, Strahlung zu untersuchen, die von einem Teleskop am Boden nicht wahrgenommen werden kann. Zum anderen wurde die Möglichkeit geschaffen, das Teleskop zwischen den Flügen immer wieder modernisieren und reparieren zu können, was bei einem Teleskop an Bord eines Satelliten (Hubble, JWST) nicht ohne weiteres möglich ist.[2][3] An drei bis vier Nächten pro Woche sollte jeweils bis zu acht Stunden aus 12 bis 14 Kilometern Höhe beobachtet werden. Einmal jährlich sollte SOFIA in Deutschland für zwei Wochen am Flughafen Stuttgart stationiert werden.

Am 4. März 2014 gab die NASA nach Kürzungen im Haushalt bekannt, keine weiteren finanziellen Mittel mehr für das Projekt SOFIA aufbringen und das Flugzeug 2015 einmotten zu wollen, falls kein Partner die Kosten übernehmen würde.[4] Der damalige Vorstandsvorsitzende des DLR Johann-Dietrich Wörner zeigte sich über die Entscheidung der NASA „bestürzt und verärgert“. Zu diesem Zeitpunkt stand die nächste größere Wartungsmaßnahme bei Lufthansa Technik in Hamburg bevor und dies Maßnahme sei ohne den Willen, das Flugzeug danach wieder in Betrieb zu nehmen, finanziell unsinnig.[5] Nachdem die NASA im Haushalt für dieses Projekt dann doch Mittel vorsah, konnte das deutsch-amerikanische Projekt fortgeführt werden.

Die Kooperation von NASA und DLR wurde am 2. Juni 2016 – beim Stand von 250 10-stündigen Beobachtungsflügen – vertraglich um weitere vier Jahre bis 2020 verlängert. 2018 sollten Forschungsergebnisse ausgewertet werden, um über eine weitere Verlängerung bis 2030 zu entscheiden.

Im April 2022 wurde die Einstellung des Programms zu Ende bekannt gegeben. Am 30. September 2022 führte SOFIA den letzten Forschungsflug durch. Die NASA hatte sich entschlossen, das Forschungsprojekt aufgrund zu hoher Betriebskosten einzustellen. Nach Angaben der amerikanischen Raumfahrtagentur lagen die jährlichen Betriebskosten des Flugzeuges mit knapp 85 Mio. US-Dollar nur knapp unter denen des Weltraumteleskops Hubble. Rein gemessen an der Anzahl der wissenschaftlichen Veröffentlichungen blieb SOFIA deutlich hinter Hubble zurück – auf der Grundlage der Forschungsdaten von Hubble wurden siebenmal mehr Veröffentlichungen eingereicht.[6][7][8][9]

Am 13. Dezember 2022 wurde der letzte Flug durchgeführt, der zum Pima Air & Space Museum führte, wo die SOFIA bleiben soll.[10]

Verlauf der Missionen

Der erste Testflug mit geöffneter Teleskoptür fand im Dezember 2009 statt, der erste Testflug mit Einsatz des Teleskops, das sogenannte „erste Licht“, am 26. Mai 2010.[11][12] Die ersten wissenschaftlicheen Beobachtungsflüge wurde vom 30. November bis 1. Dezember 2010 durchgeführt. SOFIA startete von der NASA Dryden Aircraft Operations Facility in Palmdale, Kalifornien und führte mit der Infrarotkamera (FORCAST – Faint Object InfraRed-CAmera for the SOFIA Telescope) Beobachtungen in Höhen von etwa 13 km durch.[13][14] Beobachtungsziel war das Sternbild Orion.[15] Die volle Funktionalität war für 2014[16] geplant; es sollten dann etwa 160 Einsätze mit etwa 1000 Beobachtungsstunden jährlich durchgeführt werden.[17]

Im Sommer 2015 wurde SOFIA in Neuseeland stationiert, um so Ende Juni 2015 eine Sternbedeckung des Zwergplaneten Pluto beobachten zu können. Solche Bedeckungen sind relativ selten, und die Aufnahmen konnten besondere Erkenntnisse für die Pluto-Sonde New Horizons liefern, die knapp zwei Wochen später an diesem Zwergplaneten vorbeiflog.[18] Zum Abschluss des Jahres 2015 fasste die NASA die Ergebnisse zusammen:[19]

  • Erforschung des Pluto;
  • Förderung junger Wissenschaftler;
  • Hinweise, wo das Wasser der Erde seinen Ursprung hat;
  • Eine Verbindung von Supernovae und der Entstehung von Planeten;
  • Der erste von SOFIA beobachtete Exoplanet.

Ab dem 3. Februar 2016 absolvierte SOFIA seine vierte wissenschaftliche Mission. Am 6. Juni 2016 landete das Teleskop (nach 2013 und 2015) wieder in Christchurch in Neuseeland, um von dort bis zum 20. Juli 25 Beobachtungsflüge zu absolvieren. Erstmals flog in Neuseeland neben GREAT (German Receiver for Astronomy at Terahertz Frequencies) auch eine verbesserte Version des Instruments mit: upGREAT enthält 14 empfindlichere Sensoren statt nur einen. Damit sollte etwa das Vorkommen atomaren Sauerstoffs in den Magellanschen Wolken kartiert werden. Erstmals war auch das ebenfalls deutsche FIFI-LS (Field-Imaging Far-Infrared Line Spectrometer) in der südlichen Hemisphäre eingesetzt. Dieses Instrument sollte schneller und über ein breiteres Frequenzspektrum mehrere chemische Elemente etwa in Sternentstehungsgebieten kartieren. In neun Einsätzen analysierte das US-amerikanische Instrument FORCAST (Faint Object InfraRedCAmera for the SOFIA Telescope) Staubscheiben u. a. um junge Sterne in einem kurzwelligeren Bereich als FIFI-LS. Am 25. Juli kehrte SOFIA nach Palmdale zurück, um nach Wartung von Flugzeug und Teleskop von Mitte August bis Ende 2016 weitere 40 Wissenschaftsflüge von Kalifornien aus zu absolvieren.[20] Im September 2019 war SOFIA erstmals am Flughafen Stuttgart stationiert. In der Nacht vom 18. auf den 19. September führte es von dort seinen ersten Forschungsflug über Europa durchführen; der Aufenthalt in Stuttgart endete am 20. September.[21][22] Im Februar 2021 landete SOFIA auf dem Flughafen Köln/Bonn, um von dort über einen Zeitraum von sechs Wochen 20 Forschungsflüge über Europa durchzuführen. Es handelte sich um den ersten vollständigen SOFIA-Forschungseinsatz von europäischem Boden aus.[23][24]

Das Flugzeug

SOFIA führt einen Nachterprobungsflug über Kalifornien durch (in HD).

Als Träger des Teleskops diente eine Boeing 747-SP, die einen kürzeren Rumpf, eine größere maximale Flughöhe und eine größere Reichweite als die Grundversion 747-100/200 hatte. Die Boeing 747-SP konnte so in 12 bis 15 km Höhe und damit oberhalb von 99 Prozent des Beobachtungen störenden Wasserdampfs fliegen.[25] Die umgebaute Maschine mit dem Kennzeichen N747NA hatte am 25. April 1977 als 306. gebaute B747 ihren Erstflug absolvierte und war kurz darauf an ihren Besteller Pan Am ausgeliefert worden. Im Mai 1977, zum 50. Jahrestag des ersten Alleinfluges über den Atlantik von Charles Lindbergh, taufte seine Witwe Anne Morrow Lindbergh das Flugzeug auf den Namen Clipper Lindbergh. Im Februar 1986 hatte United Airlines die Maschine übernommen und dann bis Ende 1995 im Betrieb. Die NASA kaufte die B747 im Jahr 1997 und begann mit den Umbauten und Testflügen in Waco, Texas. Hinter der linken Tragfläche wurde eine Tür in den Rumpf geschnitten, die für den Betrieb geöffnet wird, um das Teleskop nach oben blicken zu lassen. Die Teleskopsektion ist durch ein Druckschott von der übrigen Kabine getrennt, in der neben der dreiköpfigen Cockpitbesatzung bis zu 15 Wissenschaftler, Techniker und Beobachter arbeiten.

Nach Gerüchten über die Einstellung des Projekts Anfang 2006 bestätigte die NASA im Juli 2006 die Fortführung des Projekts.[25] Der erste Flug nach dem Umbau fand am 26. April 2007 in Waco statt. Am 21. Mai 2007 taufte Erik Lindbergh, ein Enkel von Charles Lindbergh, das Flugzeug erneut auf Clipper Lindbergh. Der Stützpunkt des Flugzeuges wurde im Januar 2008 vom Dryden Flight Research Center zur Dryden Aircraft Operations Facility in Palmdale verlegt.[26]

Nach einem D-Check 2014[27] führte Lufthansa Technik wie zuvor 2017 ab Oktober 2020 einen C-Check des Luftfahrzeuges durch, dabei wurde auch das integrierte Teleskop wieder überprüft und der German Receiver for Astronomy at Terahertz Frequencies abgebaut und zur Wartung zum Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn gebracht.[28][29]

Teleskop

SOFIA im Flug mit geöffneter Teleskoptür (18. Dezember 2009)
Das Teleskop im Rumpf des Flugzeugs

Im hinteren Rumpfbereich der 747-SP ist ein von den deutschen Unternehmen MAN Technologie AG und Kayser-Threde hergestelltes Nasmyth-Teleskop eingebaut – konstruktiv eine Kombination aus einem Newton-Teleskop und einem Cassegrain-Teleskop. Wie bei letzterem werden die Strahlen vom konvexen Sekundärspiegel in Richtung Primärspiegel reflektiert, aber vor dessen Erreichen durch einen dritten, plangeschliffenen Spiegel um 90° zur Seite gelenkt. Der letzte Abschnitt des Strahlengangs mit dem Brennpunkt (Nasmyth-Fokus) fällt mit der Neigeachse des Teleskops und der Längsachse des Flugzeugs zusammen und ist daher stationär. Das Spiegelteleskop dreht sich in einem vor der Teleskopgleittür mit dem Rumpfumfang durch ein Druckschott verbundenen, kreisförmigen, hydrostatisch mit Öl gedichteten Lagerkranz mit 1,2 m Durchmesser und 600 kg von Schaeffler und nimmt dabei auch den Tubus und Nebenaggregate, die vor dem Kranz liegen, mit. Der Strahl verläuft zuletzt in Flugrichtung und durchläuft hier die am Tubus montierten Messinstrumente, die sich mitdrehen.

Das Teleskop kann so exakt nachgeführt werden, dass aus zwölf Kilometern Höhe eine Münze von einem an der Aufhängung montierten Laserpointer getroffen werden könnte.[30]

Verbunden ist das samt angebauten Instrumenten hantelförmige aus Kohlefaserstruktur aufgebaute, in der Mitte dicht und schwingungsisolierend gelagerte Teleskop über eine in eine Grube im Boden reichende Bandschleife mit verschiedenen Leitungen für Energie, Messung, Steuerung, Kühlung und Daten. Die Leitungen laufen zu einem stehenden Rack zur Versorgung und Datenverarbeitung.

Für die Einstellung des richtigen Azimuts sorgt im Wesentlichen der entsprechende Steuerkurs des Flugzeugs, das typisch etwa kreisbogenförmige Strecken über dem Globus fliegt. Das Teleskop sieht per Zahnkranzantrieb gesteuert mit 15–70° Elevation nur backbordseitig (= links) aus dem Flugzeug und wird zusätzlich mit Linearmotoren über einen Bereich von ±3° feinjustiert.

Die Einsatzhöhe über der Troposphäre und ein Spektralbereich des Teleskops von 0,3 µm bis 1600 µm[31] ermöglichen Beobachtungen in einem weiten Infrarotbereich, der für bodengebundene Observatorien aufgrund von Absorptionen hauptsächlich durch in der Troposphäre enthaltenen Wasserdampf nur ausschnittsweise im Infrarotfenster zugänglich ist.

Der Hauptspiegel hat einen Durchmesser von 270 Zentimetern und eine – durch die Abschattung (Obstruktion) der beiden kleineren Spiegel – effektive Öffnung von 250 Zentimetern. Das mit Rahmen, Lagern und Zusatzinstrumenten rund 17 Tonnen schwere Teleskop wurde von einem Airbus-Beluga-Flugzeug zur Werft transportiert, im Februar 2004 installiert und in der Nacht zum 19. August 2004 erstmals in den Himmel gerichtet. Dabei blieb das Flugzeug allerdings noch am Boden.

Die halbzylindrische Fensteröffnung umfasst die obere Hälfte eines etwa vier Metern langen Rumpfabschnitts hinter den Tragflächen und vor dem T-Leitwerk. Wegen der dadurch erfolgten Einschnürung des tragenden Rumpfs auf die halbe Höhe, waren hier entsprechend gravierende Versteifungen notwendig. Das Fenster wird von innen mit einer Gleittür auf kreisförmiger Bahn teilweise oder ganz und damit regenfest verschlossen. Vor der in Flugrichtung vorderen Kante der Öffnung liegt quer eine kleine schräge Rampe, um die vorbeistreifende Luftströmung und eventuell ankommende Festkörper, wie Vögel, ausreichend abzuweisen und so am Eindringen zu hindern.

Das Teleskop ist fokusseitig ständig zugänglich. Objektivseitig herrschen jedoch der niedrige Außendruck und zirka 210–230 K (−63 bis −43 °C) Kälte.

Literatur

  • Wendy Whiting-Dolci: Milestones in Airborne Astronomy: From the 1920’s to the Present. AIAA, World Aviation Congress, Anaheim 1997, online, (PDF, 3 MB, abgerufen am 30. März 2009).
Commons: Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

  1. ↑ Vgl. auch: Lear Jet Observatory – aus 1967, erhielt 1998 eine zweite Kameraausstattung.
  2. ↑ Teleskop beobachtet Weltraum von Jumbojet aus Spiegel Online vom 27. Mai 2010, abgerufen am 27. Mai 2010.
  3. ↑ Jordan Golson: The Jet With a 17-Ton Telescope That NASA Uses as a Flying Observatory. In: Wired. 3. Juli 2014, abgerufen am 2. Oktober 2022 (englisch).
  4. ↑ Alexander Stirn: Teleskop Sofia – Die Nasa lässt die deutsche Raumfahrt im Stich. sueddeutsche.de, 5. März 2014, abgerufen am 6. März 2014.
  5. ↑ Olaf Stampf: „Es geht nur ums Geld“. In: Der Spiegel. Nr. 12, 18. März 2014, ISSN 0038-7452, S. 116 (spiegel.de [abgerufen am 15. November 2014]).
  6. ↑ Patrick Zwerger: Der Jumbo Jet mit Loch im Rumpf geht in Rente. In: FlugRevue. 1. Oktober 2022, abgerufen am 1. Oktober 2022.
  7. ↑ Ramin Skibba: Sofia, the Historic Airplane-Borne Telescope, Lands for the Last Time. In: Wired. 30. September 2022, abgerufen am 1. Oktober 2022 (englisch): „While scientists like De Buizer and Lopez Rodriguez did publish many new findings with Sofia, including some high-profile ones, Dreier points out that scientists using the Hubble Space Telescope produced about seven times as many papers in the year 2019 as astronomers had generated with Sofia in the five years leading up to 2019.“
  8. ↑ NASA, Partner Decide to Conclude SOFIA Mission. nasa.gov, 28. April 2022, abgerufen am 29. April 2022 (amerikanisches Englisch).
  9. ↑ NASA, Partner Decide to Conclude SOFIA Mission. NASA-Pressemeldung vom 28. April 2022.
  10. ↑ Letzter Flug zum Pima Air and Space Museum, abgerufen am 13. Dezember 2022
  11. ↑ Beth Hagenauer, J.D. Harrington: NASA Flight Tests Unique Jumbo Jet with Opening in Side: Plane’s Airborne Telescope Will Be Used to Study Cosmos. NASA, 18. Dezember 2009, abgerufen am 20. Dezember 2009.
  12. ↑ SOFIA macht Fortschritte – Deutschsprachiger Artikel auf Raumfahrer.net vom 26. Dezember 2009, abgerufen am 27. Mai 2010
  13. ↑ Erster Wissenschaftsflug der fliegenden Sternwarte SOFIA erfolgreich, auf dlr.de, 1. Dezember 2010, abgerufen am 18. Apr. 2019
  14. ↑ NASA-German SOFIA Observatory Completes First Science Flight (Memento vom 3. April 2012 im Internet Archive) sofia.usra.edu, 1. Dezember, abgerufen am 4. Dezember 2010
  15. ↑ SOFIA Image Gallery – Orion mid-IR image, abgerufen am 4. Dezember 2010
  16. ↑ SOFIA Completes Closed-Door Test Flights vom 16. Januar 2008, abgerufen am 27. Mai 2010 (englisch)
  17. ↑ SOFIA sieht erstes Sternenlicht. In: Raumfahrer.net. 26. Mai 2010, abgerufen am 30. Mai 2010.
  18. ↑ SOFIA in the Right Place at the Right Time for Pluto Observations. NASA, 29. Juni 2015, abgerufen am 22. Februar 2016 (englisch).
  19. ↑ SOFIA Completes Busy Year, Highlights of 2015. NASA, 28. Dezember 2015, abgerufen am 22. Februar 2016 (englisch).
  20. ↑ Down Under: Fliegende Sternwarte SOFIA mit drei Instrumenten in Neuseeland dlr.de, 7. Juni 2016, abgerufen am 6. Oktober 2016.
  21. ↑ Forschungsflieger Sofia: Boeing 747 SP blickt von Stuttgart ins Universum. In: aeroTELEGRAPH. 17. September 2019, abgerufen am 19. September 2019 (Schweizer Hochdeutsch).
  22. ↑ Fliegende Sternwarte SOFIA zu Gast am Stuttgarter Flughafen uni-stuttgart.de, 3. September 2019, archiviert am 20. September 2019.
  23. ↑ Christian Parth: Sternwarte Sofia auf Mission am Köln-Bonner Flughafen. In: Kölner Stadt-Anzeiger. 4. Februar 2021, abgerufen am 7. Februar 2021.
  24. ↑ Christian Parth: Von Köln zu den Sternen. In: Kölner Stadt-Anzeiger. 5. Februar 2021, S. 03.
  25. ↑ a b Harald Zaun: Jumbo-Phoenix aus der Asche. Abgerufen am 2. Oktober 2022.
  26. ↑ Air International, August 2009, S. 73
  27. ↑ DSI Hintergrundmaterial zur Generalüberholung in Hamburg dsi.uni-stuttgart.de; SOFIA’s Heavy Maintenance Visit Time Lapse abgerufen am 15. November 2014
  28. ↑ Wie Lufthansa Technik die fliegende Sternwarte flott macht. aerotelegraph.com, 1. Oktober 2020, abgerufen am 1. Oktober 2020.
  29. ↑ Unique maintenance at the highest level. lufthansa-technik.com, abgerufen am 2. Oktober 2020 (englisch).
  30. ↑ Den Sternen so nah. In: tomorrow. Schaeffler, September 2021, abgerufen am 27. Oktober 2021.
  31. ↑ SOFIA-Datenblatt (PDF; 87 kB) auf dlr.de
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