Außerhalb der Atmosphäre: Wie ein Spiegelfehler und fünf Shuttle-Missionen Hubble retteten

Im Jahr 1946, elf Jahre bevor die Sowjetunion Sputnik in eine Umlaufbahn beförderte, verfasste der Princeton-Astronom Lyman S. Spitzer eine Arbeit mit dem Titel „Astronomical advantages of an extra-terrestrial observatory“. Laut der NASA legte Spitzer darin die detaillierte technische Begründung dar, ein großes optisches Teleskop hoch über den störenden und verzerrenden Einflüssen der Erdatmosphäre zu platzieren. Jahrzehnte bevor orbitale Raumfahrt überhaupt möglich war, erkannte Spitzer, dass die bodengebundene Astronomie immer durch das Verschwimmen des Lichts in der Atmosphäre eingeschränkt bleiben würde. Seine frühe Vision setzte eine jahrzehntelange Anstrengung in Gang, ein bedeutendes Observatorium im All zu bauen, das für den dauerhaften Einsatz im Orbit konzipiert war.

Eine Idee, elf Jahre dem ersten Erdsatelliten voraus

Die NASA schlug 1972 formell das Projekt eines großen Weltraumteleskops (Large Space Telescope, LST) vor, und der US-Kongress bewilligte fünf Jahre später, im Jahr 1977, die Finanzierung. Nach dem ursprünglichen Konzept verfügte das Observatorium über einen 2,4 Meter (94 Zoll) großen Hauptspiegel und war für eine Betriebsdauer von 15 Jahren ausgelegt. Anfänglich plante die NASA, das Space Shuttle zu nutzen, um das Teleskop alle paar Jahre zur Überholung am Boden und zum erneuten Start auf die Erde zurückzuholen.

Im Jahr 1983 vollzogen die Verantwortlichen der Behörde eine entscheidende strategische Wende: Sie gaben den Plan auf, das Teleskop zur Erde zurückzubringen. Stattdessen entschieden sie, alle routinemäßigen Wartungsarbeiten, Instrumentenaustausche und Hardware-Upgrades direkt in der Umlaufbahn durchzuführen. Dazu sollten Astronauten bei Außeneinsätzen in der Ladebucht des Shuttles arbeiten. Im selben Jahr benannte die NASA das Observatorium nach dem Astronomen Edwin P. Hubble und visierte den Start für Oktober 1986 an.

Verzögerungen am Boden und der Drei-Mikrometer-Fehler

Der tragische Verlust des Space Shuttles Challenger im Januar 1986 legte die Shuttle-Flotte lahm und verzögerte den Start von Hubble um dreieinhalb Jahre. Am 24. April 1990 hob die Space Shuttle Discovery schließlich zur Mission STS-31 ab und transportierte das rund 10,9 Tonnen (24.000 Pfund) schwere Teleskop in einen ungewöhnlich hohen Orbit von 380 Meilen (ca. 611 Kilometer). So sollte ein klarer Betrieb oberhalb der dichten atmosphärischen Schichten der Erde sichergestellt werden.

Kurz nach dem Aussetzen im All gelieferte Testbilder zeigten den Technikern am Boden jedoch unscharfe Scheiben anstelle punktgenauer Lichtquellen. Eine offizielle Untersuchung ergab, dass der Hauptspiegel des Teleskops an einer sphärischen Aberration litt, die durch einen Fertigungsfehler verursacht worden war: Techniker hatten den äußeren Rand des Spiegels um nur 0,003 Millimeter zu flach geschliffen – ein Bruchteil der Dicke eines menschlichen Haares. Da ein physischer Austausch des Hauptspiegels im Orbit unmöglich war, erkannten die Ingenieure, dass sie den Lichtweg innerhalb nachfolgender Ersatzinstrumente korrigieren mussten.

Optische Rettung und Wartungsmissionen

Im Dezember 1993 startete die Space Shuttle Endeavour zur Mission STS-61, um die optische Reparatur zu wagen. An fünf aufeinanderfolgenden Tagen mit Außeneinsätzen bauten die Astronauten das High-Speed Photometer aus und installierten das Modul COSTAR (Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement), das wie eine Kontaktlinse für den fehlerhaften Hauptspiegel wirkte. Zudem montierten sie die Wide Field/Planetary Camera 2 (WF/PC-2) und ersetzten die für Schwingungen anfälligen Solarzellenausleger. Innerhalb weniger Wochen bestätigten die ersten wiederhergestellten Aufnahmen, dass Hubble die geplante optische Schärfe erreicht hatte.

Nachfolgende Wartungsflüge erweiten die wissenschaftlichen Fähigkeiten des Observatoriums weit über seine ursprüngliche Konfiguration von 1990 hinaus. Bei der Mission STS-82 im Februar 1997 installierten Astronauten den Space Telescope Imaging Spectrograph (STIS) sowie das Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer (NICMOS) und reparierten beschädigte externe Wärmedämmungen. Im Dezember 1999 wurde STS-103 – bezeichnet als Servicing Mission 3A – entsandt, nachdem drei der sechs Stabilisierungskreisel von Hubble ausgefallen waren; die Astronauten tauschten erfolgreich alle sechs Gyroskope aus und aktualisierten den Hauptflugcomputer.

Umbau eines Observatoriums im Weltall

Die Servicing Mission 3B folgte im März 2002 an Bord der STS-109. Die Crew tauschte die Faint Object Camera gegen die Advanced Camera for Surveys (ACS) aus, montierte starre Solarpaneele und fügte einen mechanischen Kühler hinzu, um den NICMOS-Infrarotsensor wiederzubeleben. Nach dem Columbia-Unglück im Jahr 2003 sagte die NASA-Führung zunächst alle weiteren Hubble-Visiten ab, da neue Sicherheitsregeln forderten, dass Flüge die Internationale Raumstation erreichen können mussten. Nach Empfehlungen der National Academy of Sciences revidierte die NASA diese Entscheidung jedoch und genehmigte einen letzten Reparaturflug.

Im Mai 2009 lieferte die Mission STS-125 die Wide Field Camera 3 (WFC-3) sowie den Cosmic Origins Spectrograph (COS), reparierte beschädigte Schaltkreise in ACS und STIS und ersetzte die Nickel-Wasserstoff-Hauptbatterien des Teleskops. Über alle fünf Wartungsmissionen hinweg absolvierten 16 Astronauten insgesamt 23 Außeneinsätze mit mehr als 165 Stunden in den Luftschleusen im Orbit. Indem die NASA das Observatorium von Beginn an auf regelmäßige menschliche Wartung auslegte, bewies sie, dass weltraumbasierte Infrastruktur im Orbit kontinuierlich repariert und modernisiert werden kann – was Hubbles Betriebsdauer um Jahrzehnte über das ursprüngliche Limit hinaus verlängerte.

Titelbild: KI-generierte Illustration; kein Dokumentarfoto.

Quelle: 30 Years Ago: Hubble Launched to Unlock the Secrets of the Universe