SOFIA-Blog
 
 

Erste bodengebundene Testbeobachtungen mit GREAT erfolgreich beendet

14. Februar 2011, 13.52, Dietmar Lilienthal, 0 Kommentar/e
Es waren spannende Wochen, die ersten astronomischen, bodengebundenen Testbeobachtungen (so genannte "Line Ops") mit dem deutschen Instrument GREAT, am SOFA-Betriebszentrum in Palmdale in der Mojave-Wüste. Es galt, GREAT, das deutsche "first-light"-Instrument für SOFIA, im Flugzeug zu installieren und ersten Inbetriebnahmetests zu unterziehen.

Aber GREAT, der "German Receiver for Astronomy at Terahertz Frequencies", entwickelt und gebaut vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn, der Universität zu Köln, dem Max-Planck Institut für Sonnensystemforschung und dem DLR-Institut für Planetenforschung hat's in sich. Stolze 1526 Pfund (etwa 692 Kilogramm) zeigt die digitale Anzeige an, als das mit GREAT beladene Cart am Freitag, den 21. Januar 2011 auf der Waage steht. Die müssen jetzt erst mal an Bord des SOFIA-Fliegers - und das PI-Rack, bestückt mit high tech Elektronik, folgt nach; PI steht für Principal Investigator - auf deutsch etwa "leitender Wissenschaftler". Auf dem Weg zum Teleskop-Flansch (so bezeichnet man die Anschluss-Einheit für das Teleskop) gilt es, einige kritische Stellen zu überwinden: Zunächst muss das Instrument auf eine Plattform und wird mit einem Forklift auf den Lift Truck gehoben. Der befördert die Last hoch zur schmalen Eingangstür der Boeing 747 SP. Von dort geht es über eine speziell angefertigte Rampe, millimetergenau zentriert, in den Flieger, in einer 90 Grad-Kurve nach rechts und über den verstärkten Fußboden des Seitengangs bis zum Teleskop-Flansch im rückwärtigen Teil des Flugzeugs.

Das GREAT-Instrument (links) ist am so genannten Flansch des Teleskops (blau, im Hintergrund) angebracht.

Dr. Rolf Güsten, PI des GREAT, sieht der Aktion aufmerksam, aber gelassen entgegen. Das GREAT-Team, unterstützt durch einige Techniker des DAOF (Dryden Aircraft Operations Facility), ist perfekt aufeinander eingespielt und hat den Bewegungsablauf beim Durchfahren der Türöffnung im Labor ausgiebig getestet. Alles verläuft wie geplant, und bereits am frühen Nachmittag hängt das Instrument mit circa einer halbe Tonne Gewicht am Instrumentenflansch des SOFIA-Teleskops.

Wegen der zusätzlichen Last musste dann am Samstag (22. Januar 2011) das gesamte Teleskop erneut ausbalanciert werden. Das Teleskop-Team des Deutschen SOFIA Institutes (DSI) führt das Fine Balancing routiniert durch. Erstaunlich, dass das Center of Gravity des GREAT-Instrumentes auf wenige Zentimeter genau vorherbestimmt werden konnte. Auch das Optical Alignment des Instrumentes lässt sich problemlos durchführen, indem eine in flüssigem Stickstoff abgekühlte Testfläche vor dem Sekundärspiegel positioniert und mit GREAT beobachtet wird.

Am Montag, den 24. Januar 2011 steht der wichtige EMI-Test an. Hierzu wird der Flieger aus dem Hangar geschoben. Flugradar und JT9D-7A-Triebwerke von Pratt and Whitney (übrigens auch eine deutsche Beistellung) müssen eingeschaltet werden. Es geht ja nicht nur darum, ob die Aircraft-Systeme durch die Elektronik des GREAT gestört werden, sondern umgekehrt auch um mögliche Störungen des Instrumentes durch die Flugzeugsysteme. Denn: GREAT ist ein Heterodyn-Empfänger! Die beobachteten Signale liegen im Frequenzbereich zwischen 1,25 und 1,5 Terahertz (THz) für den 1. Niederfrequenzkanal und 1,8 – 1,92 THz für den 2. Niederfrequenzkanal. Ergänzend gibt es einen Mittenfrequenzkanal (2,4 bis 2,7 THz) und einen Hochfrequenzkanal (um 4,7 THz).

SOFIA wir für die Bodentest abends aus dem Hangar gezogen und auf ein Ziel (Polarstern) ausgerichtet.

Im Empfänger muss das hochfrequente astronomische Signal mit Wellenlängen von 240 bis herunter zu 60 Mikrometer zunächst in eine Zwischenfrequenz (IF-Signal) transformiert werden. Das geschieht durch Mischung mit einem stabilen, monochromatischen Referenzsignal eines lokalen Oszillators (LO). Die supraleitenden Mischer-Devices arbeiten bei Temperaturen von circa 4,2 Grad Kelvin (minus 269 Grad Celsius) und müssen mit flüssigem Stickstoff und Helium heruntergekühlt werden. Das IF-Signal wird verstärkt, erneut frequenzverschoben und schließlich z.B. in einem Fast Fourier Transform Spectrometer (FFTS) registriert. So wundert es nicht, dass GREAT gegenüber Störungen aus der Umgebung (zum Beispiel Handys) äußerst empfindlich ist. Aber es kann Entwarnung gegeben werden. Den eigentlichen Line Ops steht nun nichts mehr im Wege.

Von Montag, den 25. Januar bis Dienstag, den 1. Februar 2011 sind insgesamt vier Nächte mit astronomischen Testbeobachtungen außerhalb des Hangars vorgesehen. Nach dem üblichen Crew-Briefing geben alle Teams das Zeichen "Ready to go!" Während sich im Norden und Osten der USA ein katastrophaler Wintereinbruch mit "Monsterstürmen" andeutet, sind hier die Wetterbedingungen noch ausgezeichnet, wenn es auch deutlich kühler geworden ist und die San Gabriel Mountains kontinuierlich mit Schnee bedeckt sind. Für die nächsten Nächte ist jedenfalls überwiegend sternklare Sicht angesagt.

Für die Line Ops wird der Flieger täglich aus dem Hangar geschoben und so positioniert (im Fachjargon "Heading" genannt), dass nach dem Öffnen der Tür die Region um den Polarstern sichtbar ist. Mit ihrer Nase blickt SOFIA also Richtung Osten, denn die Teleskopluke befindet sich an Backbord (portside). Entsprechend der niedrigen geographischen Breite hier in Südkalifornien (Los Angeles liegt bei 34 Grad 3 Minuten) steht der Polarstern relativ flach am Himmel. In Bonn, das weiter nördlich liegt, befindet er sich in einer Höhe von 50 Grad 44 Minuten. In beiden Fällen kann SOFIA den Polarstern beobachten, denn die zugänglichen Elevationswinkel für die Teleskopmontierung reichen von 20 Grad bis etwa 70 Grad. Beim Überfliegen des Nordpols sähe es für die Beobachtung des Polarsterns allerdings schlecht aus. Hier steht er fast senkrecht im Zenit, und bei einem nominellen Beobachtungswinkel des SOFIA-Teleskops von circa 40 Grad müsste sich der Flieger etwa 50 Grad um die "roll axis" drehen, was bei der gesamten Besatzung auf berechtigten Protest stoßen würde.

Während der Bodentest im Inneren von SOFIA

Und noch etwas muss für die Line Ops bedacht werden: GREAT ist am Boden völlig blind! Die Wassermoleküle der Erdatmosphäre absorbieren die gesamte Strahlung der astronomischen Objekte (deswegen fliegt SOFIA ja gerade so hoch). Da GREAT aber auf die optische Achse des Teleskops ausgerichtet wurde, können anstelle des fehlenden Terahertz-Signals die Beobachtungen mithilfe der optischen Kameras des SOFIA-Teleskops simuliert werden. Das Aufsuchen des Polarsterns und die Beobachtung zum Beispiel eines 9-Punkte-Rasters mit vorgegebenen relativen Offsets werden mit den Kameras kontrolliert. Ziel ist dabei, das Zusammenspiel zwischen der so genannten KOSMA-I/O-Software und dem Mission Command and Controlsystem (MCCS) via Translator auszutesten – eine Aufgabe, mit der sich Prof. Jürgen Stutzki, Stefan Heyminck, Urs Graf und Sean Colgan (NASA Ames) intensiv beschäftigen. Die Stimmung während der Tests an Bord ist sachlich und ruhig, die Kommandos sind kurz und knapp, oftmals reicht ein Handzeichen, und als in der letzten Nacht das Team die Headsets des MADS anlegt und eine längere Beobachtungssequenz während einer Flugetappe (so genanntes "leg") simuliert wird, sind nicht nur der Mission Operations Manager Charlie Kaminski und der Testdirektor Walter Miller von der Professionalität des GREAT-Teams vollständig überzeugt.

Mittwoch, den 2. Februar 2011:  Heute steht der umgekehrte Vorgang an: Die Bolzen am Instrumentenflansch werden vorsichtig wieder gelöst, und GREAT wird ohne Zwischenfälle auf umgekehrtem Weg zurück ins Labor gebracht. Diese Prozedur wird zukünftig zum Alltagsgeschäft des Observatoriums gehören, denn abhängig von den astronomischen Zielsetzungen werden unterschiedliche Instrumente (derzeitig stehen acht zur Auswahl) am Teleskopflansch von SOFIA angebracht.

Den nächsten Line Ops, die im Februar stattfinden sollen, sowie den wissenschaftlichen Flügen mit dem deutschen Instrument GREAT im April dieses Jahres kann man nun optimistisch entgegen sehen.

Alle Bilder: MPIfR/Christian Leinz.


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