19. Juli 2017
Am Ende steht ein neuer Anfang

LI­SA Pa­th­fin­der be­rei­tet den Weg für das Gra­vi­ta­ti­ons­wel­len-Ob­ser­va­to­ri­um LI­SA

So schwingt die Raum­zeit
Bild 1/5, Credit: NASA/C. Henze.

So schwingt die Raumzeit

Com­pu­ter­si­mu­la­ti­on der ab­ge­strahl­ten Gra­vi­ta­ti­ons­wel­len von zwei mit­ein­an­der ver­schmel­zen­den Schwar­zen Lö­chern: Die Tech­no­lo­gie­de­mons­tra­ti­on LI­SA Pa­th­fin­der hat den Weg ge­eb­net, um ab 2034 mit dem Ob­ser­va­to­ri­um LI­SA Gra­vi­ta­ti­ons­wel­len di­rekt im Welt­all zu un­ter­su­chen. Die mit LI­SA zu be­ob­ach­ten­den Gra­vi­ta­ti­ons­wel­len sind von der Er­de aus nicht nach­zu­wei­sen, da sie dort un­ter an­de­rem durch seis­mi­sche Stö­run­gen voll­stän­dig über­la­gert wer­den.
Gra­vi­ta­ti­ons­wel­len-Ob­ser­va­to­ri­um LI­SA aus­ge­wählt
Bild 2/5, Credit: AEI/Milde Marketing/Exozet.

Gravitationswellen-Observatorium LISA ausgewählt

Das Gra­vi­ta­ti­ons­wel­len-Ob­ser­va­to­ri­um LI­SA soll win­zigs­te Schwin­gun­gen der Raum­zeit – so­ge­nann­te Gra­vi­ta­ti­ons­wel­len – „be­ob­ach­ten“ und da­mit den ener­gie­reichs­ten und hef­tigs­ten astro­phy­si­ka­li­schen Er­eig­nis­sen in un­se­rem Uni­ver­sum auf die Spur kom­men. Sie sol­len von LI­SA ab dem Jahr 2034 mit Hil­fe ei­ner La­ser­in­ter­fe­ro­me­trie zwi­schen drei je­weils rund zwei­ein­halb Mil­lio­nen Ki­lo­me­ter von­ein­an­der ent­fern­ten Son­den er­forscht wer­den. War die­ses Ob­ser­va­to­ri­um bis­her le­dig­lich ein Missi­ons­kon­zept, so hat in­zwi­schen das Science Pro­gram­me Com­mit­tee (SPC) der ESA die Missi­on als drit­te der großen Missio­nen (L3) sei­nes Cos­mic Vi­si­on Pro­gramms aus­ge­wählt.
Das LI­SA Tech­no­lo­gy Packa­ge (LTP) – das Herz­stück von LI­SA Pa­th­fin­der
Bild 3/5, Credit: ESA/ATG medialab.

Das LISA Technology Package (LTP) – das Herzstück von LISA Pathfinder

LI­SA Pa­th­fin­der be­steht aus dem Wis­sen­schafts­mo­dul (links oben in der Ex­plo­si­ons­zeich­nung) und dem An­triebs­mo­dul (links un­ten), das nach dem Er­rei­chen des end­gül­ti­gen Or­bits ab­ge­wor­fen wur­de. Das op­ti­sche Mess­sys­tem von LI­SA Pa­th­fin­der – das LI­SA Tech­no­lo­gy Packa­ge (LTP) – ist rechts her­aus­ge­ho­ben und um­fasst zwei Gold-Pla­tin-Test­mas­sen, um­ge­ben von je­weils ei­nem „Elec­tro­de Hou­sing“ in kom­pak­ten Va­ku­um­kam­mern im Wis­sen­schafts­mo­dul der Missi­on. Zwi­schen den Test­mas­sen (Ab­stand 38 Zen­ti­me­ter) ist die op­ti­sche Bank des La­ser­in­ter­fe­ro­me­ters an­ge­ord­net.
La­ser­in­ter­fe­ro­me­ter
Bild 4/5, Credit: Airbus Defence & Space.

Laserinterferometer

Auf ei­nem Block aus ei­ner Ze­ro­dur-Glas­ke­ra­mik mit ei­ner qua­dra­ti­schen Grund­flä­che von 20 Zen­ti­me­tern Kan­ten­län­ge ist ein Set aus 22 Spie­geln und Strahl­tei­lern auf­ge­baut – die op­ti­sche Bank des In­ter­fe­ro­me­ters von LI­SA Pa­th­fin­der. Die bei­den ver­gol­de­ten Test­mas­sen zu bei­den Sei­ten der op­ti­schen Bank die­nen als End­spie­gel des In­ter­fe­ro­me­ters und sind et­wa 38 Zen­ti­me­ter von­ein­an­der ent­fernt. Mit Hil­fe des La­ser­in­ter­fe­ro­me­ters wer­den die Po­si­tio­nen und die Aus­rich­tung der Mas­sen re­la­tiv zu­ein­an­der und in Be­zug auf die Son­de mit höchs­ter Prä­zi­si­on ver­mes­sen.
LI­SA Pa­th­fin­der wird An­for­de­run­gen von LI­SA ge­recht
Bild 5/5, Credit: ESA/LISA Pathfinder Collaboration.

LISA Pathfinder wird Anforderungen von LISA gerecht

Be­reit für LI­SA: Das zei­gen die ers­ten Er­geb­nis­se der Tech­no­lo­gie­de­mons­tra­ti­on LI­SA Pa­th­fin­der. Im Dia­gramm sieht man die noch vor­han­de­nen Stör­kräf­te (Be­schleu­ni­gungs­rau­schen der Test­mas­sen) ab­hän­gig von der Fre­quenz der zeit­li­chen Än­de­rung. Mes­sun­gen sind da­bei far­big dar­ge­stellt, die An­for­de­run­gen für LI­SA Pa­th­fin­der be­zie­hungs­wei­se LI­SA sind eben­falls ge­kenn­zeich­net. LI­SA Pa­th­fin­der hat bei vie­len Fre­quen­zen be­reits die An­for­de­run­gen von LI­SA er­reicht oder sie gar über­trof­fen. In­zwi­schen – am En­de der Missi­on – lie­gen auch bei nied­ri­gen Fre­quen­zen die Mes­sun­gen un­ter oder na­he den An­for­de­run­gen für LI­SA.
  • Am 18. Juli 2017 endete nach 16 Monaten wissenschaftlichen Betriebs die Technologieerpobungsmission LISA Pathfinder.
  • Die Technologie von LISA Pathfinder hat dabei so gut funktioniert, dass sie nun teilweise direkt beim Gravitationswellen-Observatorium LISA zum Einsatz kommen soll.
  • Schwerpunkt(e): Raumfahrt, Exploration

Am Abend des 18. Juli 2017 ist die DLR LI­SA Pa­th­fin­der nach 16 Monaten wissenschaftlichen Betriebs im Orbit abgeschaltet worden. Damit geht eine anspruchsvolle Technologiedemonstration im Weltraum zu Ende. Das Raumfahrtmanagement im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und die Max-Planck-Gesellschaft haben den deutschen Beitrag zu dieser Mission der europäischen Weltraumorganisation ESA finanziert. LISA Pathfinder hat bei der Vorbereitung einer Weltraum-Laserinterferometrie zum Nachweis von Gravitationswellen die Grenzen des bisher technisch Möglichen übertroffen und damit einen wichtigen Schritt hin auf das geplante Gra­vi­ta­ti­ons­wel­len-Ob­ser­va­to­ri­um LI­SA (La­ser In­ter­fe­ro­me­ter Space An­ten­na) gemacht. LISA soll winzigste Schwingungen der Raumzeit - sogenannte Gravitationswellen - "beobachten" und damit den energiereichsten und heftigsten astrophysikalischen Ereignissen in unserem Universum auf die Spur kommen. Sie sollen von LISA ab 2034 mit Hilfe einer Laserinterferometrie zwischen drei jeweils rund zweieinhalb Millionen Kilometer voneinander entfernten Sonden erforscht werden. War LI­SA bisher lediglich ein Missionskonzept, so hat das Science Programme Committee (SPC) der ESA die Mission inzwischen als dritte der großen Missionen (L3) seines "Cosmic Vision Programms" ausgewählt.

Herzstück von LISA Pathfinder funktionierte tadellos

Wie der Missionsname bereits verrät, sollte die am 3. Dezember 2015 gestartete Mission LISA Pathfinder den Weg für das Gravitationswellen-Observatorium bereiten. Hier wurden Schlüs­sel­tech­no­lo­gi­en für LI­SA erprobt, die wegen der Schwerkraft und anderer Störungen auf der Erde nicht angemessen getestet werden können. Einige davon sind im sogenannten LISA Technology Package (LTP) untergebracht. Diese komplexe Nutzlast - das Herzstück von LISA Pathfinder - wurde unter der Leitung der Airbus Defence & Space GmbH in Friedrichshafen mit Beistellungen wichtiger Komponenten und Beiträgen aus mehreren europäischen Ländern entwickelt. In Friedrichshafen wurde auch ihr Kernstück - das LTP Core Assembly - gebaut, getestet und danach bei der Firma IABG in Ottobrunn in die Sonde integriert. "Diese Technologie hat sehr gut funktioniert. Schon bei den ersten Messungen Ende Februar 2016 zeigte sich noch während der Inbetriebnahme der Sonde, dass die Ziele der Mission zum Teil deutlich übertroffen werden würden", blickt Dr. Hans-Georg Grothues, LISA Pathfinder-Projektleiter im DLR Raumfahrtmanagement, zurück. Es wurde daher im Juni 2016 beschlossen, die Mission bis Mitte 2017 zu verlängern. "So konnten noch weitere, zum Teil mehrwöchige Langzeitmessungen gemacht werden, die die Ergebnisse noch einmal deutlich verbessert haben. Am Ende der Mission wurden sogar weitgehend die Anforderungen für die spätere LISA-Mission erreicht und teilweise sogar übertroffen", ergänzt Grothues. Erste Ergebnisse sind auch in einer Fach­ver­öf­fent­li­chung publiziert.

Technologie bereit für den Einsatz bei LISA

Weil die Tests über Erwarten gut verliefen, kann ein Teil der LTP-Technologie nun auch bei LISA zum Einsatz kommen. "Richtig gut haben vor allem die sogenannten Inertialsensoren für das Laserinterferometer von LISA und das sogenannte Drag-Free-Attitude-Control-System (DFACS) funktioniert", erklärt Grothues. Das DFACS bekommt Signale der Inertialsensoren und hält in einer Rückkoppelungsschleife die Sonde im Gleichgewicht, indem es Störkräfte - wie zum Beispiel den Strahlungsdruck der Sonne - sehr genau über den Einsatz von europäischen Kaltgastrieb- und US-amerikanischen Kolloidtriebwerken vom Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA ausgleicht: Raumsonde und Nutzlast bilden auf diese Weise eine untrennbare Einheit. Die Inertialsensoren enthalten freifliegende, würfelförmige Testmassen von etwa zwei Kilogramm Masse aus einer speziellen Gold-Platin-Legierung. Sie bilden die Spiegel an den Enden der Arme des Laser-Interferometers, dessen Licht durch einen besonders rauscharmen Laser der deutschen Firma Te­sat Space­com GmbH erzeugt wird. Nahezu reibungslos funktionierte auch die kritische Freigabe der Testmassen, die während des Starts durch einen Haltemechanismus gesichert werden mussten. Auch deren mehrfaches Wiedereinfangen, Positionieren und Freigeben im Laufe der Mission wurden erfolgreich durchgeführt.

Mit einem riesigen Laser-Dreieck Gravitationswellen auf der Spur

Bei LISA werden diese Arme des Laserinterferometers durch drei Satelliten an den Ecken eines nahezu gleichseitigen Dreiecks aufgespannt und rund 2,5 Millionen Kilometer lang sein. Läuft eine Gravitationswelle durch diese Konstellation hindurch, ändern sich die Abstände zwischen den Testmassen in den Satelliten minimal. "Diese unvorstellbar kleinen Abstandsänderungen sind gerade einmal so groß, wie der Kern eines Wasserstoffatoms. Wir wissen jetzt aber, dass wir sie - und damit auch Gravitationswellen - mit der höchst empfindlichen Laserinterferometrie-Messtechnik im Weltraum nachweisen und untersuchen können. Dank LISA Pathfinder wird die exakte Kenntnis dieser Abweichungen nun in die Konstruktion des LISA Gravitationswellen-Observatoriums einfließen", betont Grothues. Zwar wurde bei LISA Pathfinder die Armlänge auf 38 Zentimeter drastisch verkürzt, um das Interferometer im Wissenschaftsmodul der Mission unterzubringen zu können. "Dennoch erlaubt das LTP repräsentative Messungen vieler Effekte und Störungen an den beiden freifliegenden Massen, wie sie später auch bei LISA charakteristisch sein werden", sagt der DLR-Missionsmanager.

  • Industrielle Beteiligung und Forschungsinstitute

    Als Europäische Raumfahrtagentur war die ESA für die Durchführung der Mission LISA Pathfinder verantwortlich. In deren Auftrag hat die Airbus Defence & Space Ltd. in Großbritannien die Sonde gebaut und die Mission geplant. Unter der Leitung der Airbus Defence & Space GmbH in Friedrichshafen waren an der Entwicklung des LISA Technology Package (LTP) neben der ESA Forschungseinrichtungen und Industriefirmen aus Deutschland, Italien, Großbritannien, Spanien, der Schweiz, Frankreich und den Niederlanden entscheidend beteiligt. Bei Airbus in Friedrichshafen wurde auch das Kernstück der Nutzlast - das LTP Core Assembly - gebaut, getestet und danach bei der Firma IABG in Ot­to­brunn bei Mün­chen in den Satelliten integriert. Der deutsche Beitrag wurde neben der Airbus Defence & Space GmbH maßgeblich vom Max-Planck-In­sti­tut für Gra­vi­ta­ti­ons­phy­sik / Al­bert-Ein­stein-In­sti­tut (AEI) in Han­no­ver geleistet und von der Max-Planck-Gesellschaft sowie dem DLR Raumfahrtmanagement im Auftrag des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) finanziert.

Kontakt
  • Martin Fleischmann
    Deut­sches Zen­trum für Luft- und Raum­fahrt (DLR)
    Deut­sche Raum­fahr­t­agen­tur im DLR
    Stra­te­gie und Kom­mu­ni­ka­ti­on
    Telefon: +49 228 447-120
    Königswinterer Str. 522-524
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  • Dr. Hans-Georg Grothues

    Raum­fahrt­ma­na­ge­ment, Ex­tra­ter­re­strik
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