Das Gerät, das Professor Jochem Baselmans in seinem Labor hält, ist nicht viel größer als eine Streichholzschachtel. Trotzdem steigen Forscher renommierter Universitäten in den USA und Mitarbeiter der Raumfahrtbehörde NASA gerne ins Flugzeug, um sich das kleine Ding aus der Nähe anzusehen.
„Ganz Amerika steht hier vor der Tür, weil sie das selbst nicht können. Da sind wir dem Rest der Welt meilenweit voraus. Und wenn sie hierher kommen, können wir richtig was zeigen“, sagt er mit einem Nicken auf das Gerät in seiner Hand. „Etwas, das wir demonstrieren können, funktioniert.“
Baselmans Vertrauen in das, was er und seine Gruppe leisten, ist ebenso groß wie sein Stolz auf die Position, die sie sich in der internationalen Welt der astronomischen Messgeräte erarbeitet haben. ‚Wettbewerb? Nein, das haben wir nicht wirklich. Es gibt niemanden, der das so machen kann wie wir. Höchstens das Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA in Pasadena … aber wir arbeiten jetzt mit ihnen zusammen“, sagt er.
Über den Autor
George van Hal schreibt über Astronomie, Physik und Raumfahrt de Volkskrant. Er veröffentlichte Bücher über alles, vom Universum bis zu den kleinsten Bausteinen der Realität.
Astronomie aufrütteln
Diese Zusammenarbeit findet im Rahmen des Prima-Weltraumteleskops statt, einem Gerät, das derzeit nur auf dem Reißbrett existiert. Dennoch hoffen die Macher, dass er die Astronomie weiter aufmischen wird, genau wie Vorgänger James Webb.
Das Teleskop wird bald untersuchen können, wie Schwarze Löcher und die Galaxien, in denen sie leben, ihr Wachstum gegenseitig regulieren, wie sich die Elemente des Lebens – Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff – im noch jungen Universum tief in staubigen Galaxien sammeln und wie Planeten entstehen … in unserer Ecke der Galaxie“, sagte Matt Bradford vom JPL. Und es gibt noch mehr: Prima kann zum Beispiel kosmische Magnetfelder kartieren, helfen, die Entstehung von Sternen im Detail zu verstehen, und herausfinden, wo genau das ganze Wasser auf der Erde herkommt. „Und dann sind die aufregendsten Ergebnisse eines solchen Weltraumteleskops wahrscheinlich noch gar nicht bekannt“, sagt er.
Ob Prima all diese kosmischen Ziele erreichen kann, hängt davon ab, was Baselmans in seinen Labors in Leiden, Delft und Groningen produziert. „Die Detektoren sind wirklich die einzige große Herausforderung für Prima“, sagt Bradford. Diese Mkids-Detektoren (ausführlich: Mikrowellen-Kinetik-Induktivitäts-Detektor) müssen sich erst einmal in der Praxis bewähren.
Die Detektoren von Baselmans bestehen aus einem Raster separater Messinstrumente – „Pixel“ in der Fachsprache, weil jedes Messinstrument einen Pixel im endgültigen Bild ausmacht. Diese Pixel bestehen aus einer supraleitenden Schicht, die Wärmestrahlung aus dem Universum absorbiert und dann ein Signal erzeugt, ähnlich wie die Detektoren in einer Digitalkamera, wenn Licht darauf fällt.
Entscheidend ist, dass die Mkids bei viel niedrigeren Temperaturen arbeiten als normale Kameras und sogar die Detektoren an Bord des James-Webb-Radioteleskops. Wer Wärmestrahlung aus dem Kosmos einsammeln will, muss selbst extrem frieren, aus dem gleichen Grund, aus dem ein empfindliches Mikrofon selbst kein Rauschen erzeugen darf. Gekühlt auf nur ein Zehntel Grad über dem absoluten Nullpunkt – etwa 120 Millikelvin – machen die Mkids von Baselmans Prima eine Milliarde Mal schneller als ihre Vorgänger. „Die Detektoren haben ein viel besseres Signal-Rausch-Verhältnis“, sagt Baselmans.
Günstiger im Design
Dank dieser Sensibilität nehmen sie subtile Wärmestrahlung aus kosmischen Tiefen auf, die im Fall von James Webb noch im Hintergrundrauschen des Instruments selbst untergeht. Auf diese Weise kann ein mit solchen Detektoren ausgestattetes Weltraumteleskop das Bild davon, wie das Universum in seiner Jugend aussah, weiter einfärben. „Ein solcher Nachfolger des James Webb ist bereits auf dem Reißbrett. Wir wissen, dass es kommen wird“, sagt Baselmans.
Der Grund ist, dass ein solches Teleskop, das das Universum im fernen Infrarot beobachten kann, wie Astronomen sagen, bereits im Lieferumfang enthalten ist Jahrzehnt Umfrage, die Mehrjahresstrategie der amerikanischen Astronomie. Die Nasa, die das Gerät bauen muss, hat ihrerseits bereits die erste Aufforderung zur Einreichung von Vorschlägen in die Welt geschickt. Logisch: Ein Weltraumteleskop ist ein mehrjähriges Projekt, bei dem die ersten Forschungen und technologischen Entwicklungen oft ein bis zwei Jahrzehnte vor dem Start stattfinden.
Zudem sucht die Raumfahrtbehörde ein Gerät, das im Design etwas günstiger ist als Prestige-Teleskope wie Hubble oder James Webb. Dennoch wird es die wissenschaftlichen Fähigkeiten des letzteren sicherlich übersteigen, schon allein deshalb, weil Webbs Technologie bis zum Start eines Nachfolgers erheblich veraltet sein wird.
„In zehn Jahren soll so ein Teleskop da sein, und jede Gruppe aus Amerika, die jetzt an einem Vorschlag arbeitet, ist nach Sron gekommen, um sich unsere Detektoren anzusehen. Wir arbeiten jetzt tatsächlich mit drei der vier Gruppen zusammen, die an einem solchen NASA-Vorschlag arbeiten“, sagt Baselmans.
Das ist übrigens ziemlich bemerkenswert. Denn gerade das JPL der Nasa ist die Geburtsstätte des zugrunde liegenden Detektorkonzepts. „Hier wurden Kinderdetektoren erfunden“, sagt Bradford. „Wir bauen sie hauptsächlich für Messgeräte, die auf Ballonmissionen und am Boden eingesetzt werden. Die Baselmanns-Gruppe hat hart daran gearbeitet, die Kids-Technologie empfindlicher und robuster zu machen, damit sie auch für Weltraummissionen geeignet ist. Was sie machen, ist das Beste, was es derzeit gibt.“
Bradford nennt die Zusammenarbeit mit Baselmans Gruppe etwas Besonderes, weil sie Wissen auf tiefgreifendem technologischem Niveau austauschen. Dennoch sagte er im Allgemeinen: „Es ist nicht ungewöhnlich, dass JPL mit Partnern außerhalb der USA zusammenarbeitet.“
Viel höhere Geschwindigkeit
Bevor das Prima-Teleskop, an dem Bradford und Baselmans zusammenarbeiten, irgendwann im nächsten Jahrzehnt ins All fliegen kann, muss es zunächst die Auswahlrunden bei der NASA überstehen. Das Teleskop ist einer von vier Kandidaten für einen solchen Nachfolger von James Webb. „Wir gehen davon aus, dass wir unseren ersten Vorschlag im Oktober dieses Jahres einreichen werden. Die Nasa wird die formelle Ankündigung erst 90 Tage im Voraus veröffentlichen“, sagte Bradford. Wenn das Teleskop diese Phase übersteht, wird die NASA eine umfangreichere Vorstudie von neun bis zwölf Monaten finanzieren. Die endgültige Entscheidung für ein Weltraumteleskop wird erst Ende 2025 getroffen.
Baselmans arbeitet auch an zwei der anderen Teleskopvorschläge, Salz Und Erste. „Obwohl wir keine wissenschaftliche Zusammenarbeit mit diesen Gruppen auf dem Gebiet der Detektorentwicklung haben“, sagt er. Beide kaufen die holländische Detektortechnik alleine ein, anstatt sie gemeinsam im Detail zu entwickeln.
Dass seine Detektoren so beliebt sind, liegt daran, wie er und seine Kollegen forschen, glaubt Baselmans. „Wir können die universitäre Forschung an der TU Delft mit einer technischen Umgebung bei SRON kombinieren, wo die Leute Erfahrung in der Herstellung von Weltrauminstrumenten haben. Dadurch entwickeln wir diese Art von Technologie viel schneller als andere, die nur im akademischen Umfeld tätig sind.‘
Ziele erreicht
Laut Bradford sind die ersten Ermittlungen zu den niederländischen Mkids-Detektoren gut angelaufen. Zwei Ziele seien bereits erreicht, sagt er. Zunächst einmal scheinen die Detektoren tatsächlich ausreichend empfindlich für den Einsatz an zukünftigen Weltraumteleskopen zu sein, wie Baselmans und Kollegen letztes Jahr beschrieben haben. im Magazin Astronomie & Astrophysik. Darüber hinaus haben sich die separaten Detektoren in Experimenten sowohl in den Niederlanden als auch in den USA als gut zusammenarbeitend erwiesen. Im letzten Weltraumteleskop werden mehrere Detektoren gemeinsam in den Kosmos blicken. Nicht nur die von Baselmans, sondern auch in den USA entwickelte Varianten. „Diese Experimente wurden noch mit der vorherigen Generation von Detektoren durchgeführt. Wir bauen jetzt vollständige Prototypen von Prima und testen sie“, sagt Bradford.
Die letzte verbleibende Herausforderung besteht darin, dass die Detektoren noch nicht auf Wärmestrahlung mit allen möglichen Wellenlängen getestet wurden, für deren Messung sie ausgelegt sind. „Wir haben derzeit viel Erfahrung mit etwas längeren Wellenlängen, aber die ersten Leistungsmessungen bei kürzeren Wellenlängen sehen glücklicherweise gut aus“, sagt Bradford.
Trotz all dieser Vorarbeiten ist noch nicht sicher, ob die Mkids-Detektoren irgendwann im nächsten Jahrzehnt wirklich helfen werden, die Geheimnisse des Kosmos zu lüften. Dazu müsse man vor allem das Urteil der Nasa-Leute abwarten, sagt Baselmans. „Da ist auch viel Politik im Spiel. Das größte Risiko für uns besteht darin, dass die Experten dort zu dem Schluss kommen, dass unsere Technologie noch nicht ausgereift ist. Wir können lediglich sicherstellen, dass die Detektoren die erforderliche Empfindlichkeit erreichen und einwandfrei funktionieren. Auf den Rest haben wir praktisch keinen Einfluss.‘