SOFIA – Ein Gemeinschaftsprojekt von NASA und DLR
Warum ein fliegendes Observatorium?
Astronomische Beobachtungen im infraroten (IR) und besonders im ferninfraroten Wellenlängenbereich (FIR, 3 µm – 1.000 µm) lassen sich nur aus großen Höhen durchführen. Grund dafür ist, dass der Wasserdampf in der Erdatmosphäre die IR-Strahlung weitgehend absorbiert. Daher betrieb die NASA schon vor SOFIA flugzeugbasierte Observatorien, da in einer Höhe von 10 km und darüber FIR-Strahlung messbar ist. So begann die NASA bereits in den späten 1960er Jahren in ihrem Ames Research Center Beobachtungsflüge mit einem 0,3 m Teleskop an Bord eines Learjets durchzuführen (LJO – Lear Jet Observatory). Dies kann als der Wegbereiter für das 1974 in Dienst gestellte Kuiper Airborne Observatory (KAO, 1974-1995) angesehen werden, welches auf Basis eines Lockheed C-141 Starlifters gebaut wurde. Es verfügte immerhin schon über einen Hauptspiegel von 0,915 m Durchmesser, mit dem einige wichtige astronomische Entdeckungen gelangen (Uranusringe 1977, Plutoatmosphäre, 1988).
Weil auch in der deutschen astronomischen Community starkes Interesse am infraroten Wellenlängenbereich bestand – Reinhard Genzel und Hans-Peter Röser hatten bereits mit dem KAO beobachtet – empfahl der Rat Westdeutscher Sternwarten 1985 eine deutsche Beteiligung an SOFIA (Stratospheric Observatory For Infrared Astronomy). Aufgrund vielfältiger Kooperationen zwischen den Astrophysikgruppen der NASA und des DFVLR (eine Vorgängerorganisation des DLR) zu dieser Zeit, lag es daher nahe, SOFIA als deutsch-amerikanisches Gemeinschaftsprojekt aus der Taufe zu heben.
Von der Idee zum Projekt
Und so begannen im Jahr 1985 die konkreten Gespräche über die Realisierung der fliegenden Sternwarte SOFIA. Sehr früh wurde festgelegt, dass der deutsche Beitrag 20% des Gesamtprojektes betragen sollte, dieser aber nicht als Geldmittel, sondern in Form von Sach- und Arbeitsleistung beigesteuert werden würde. Im Gegenzug würden deutsche Institute 20% der Beobachtungszeit des Observatoriums erhalten. Der deutsche Beitrag zum Observatorium würde das vollständige Teleskop sein.
Ende der 1980er Jahre wurden auch die wesentlichen technischen Randbedingungen für SOFIA als Resultat von diversen Konzeptuntersuchungen festgelegt: Als Flugzeugtyp wurde die Boeing 747 SP ausgewählt, der Hauptspiegel sollte aus Zerodur (Schott) gefertigt werden und einen Durchmesser von 2,7 m haben. Zunächst war angedacht, den Spiegel im vorderen Teil des Flugzeugs unterzubringen, was aber im Laufe der Konzeptphase verworfen wurde.
Für die Auswahl der 747 SP, eigentlich für extreme Langstreckenflüge konzipiert, war entscheidend, dass sie direkt nach dem Start und voll betankt auf 37.000 Fuß steigen konnte, um dort astronomische Beobachtungen zu ermöglichen. Die maximale Dienstgipfelhöhe betrug 45.000 Fuß, was die Qualität der Beobachtungen weiter verbessern würde.
Umbau und Inbetriebnahme
Die NASA kaufte 1997 ein Flugzeug dieses Typs von United Airlines, das 1977 gebaut und zunächst als Verkehrsflugzeug von PanAm betrieben worden war und lies es bei der Firma L-3 Communications in Waco, Texas zum Observatorium umbauen. Dieser Umbau dauerte fast zehn Jahre, bis am 26. April 2007 der Erstflug von SOFIA stattfinden konnte. Im Anschluss daran erfolgte ab Juni 2007 die Flugerprobung am NASA Dryden Flight Research Center auf der Edwards Airforce Base in Kalifornien, zunächst mit geschlossener, später dann mit geöffneter Teleskoptür. Die Aktivierung des Teleskops und das Öffnen der Tür waren wesentliche Meilensteine bei der Inbetriebnahme des Observatoriums, da hierdurch die prinzipielle Funktionsfähigkeit des Observatoriums mit einem inertial stabilisiertem Teleskop nachgewiesen werden konnte. Der erste Flug mit einer astronomischen Beobachtung erfolgte schließlich am 25./26. Mai 2010, SOFIA hatte den Meilenstein „First Light“ erreicht. In den Folgejahren wurde die Flugerprobung zum Abschluss gebracht, parallel dazu wurden erste astronomische Beobachtungen durchgeführt. Aber auch ein Upgrade des SOFIA-Cockpits mit digitaler Avionik fiel in diesen Zeitraum. Der interne NASA-Meilenstein „Full Operational Capability“ wurde schließlich im Mai 2014 erreicht.
Der operative Betrieb
Insgesamt wurden mit SOFIA während ihres aktiven Betriebs neun Beobachtungsperioden (Observing Cycle) durchgeführt, jede von etwa einem Jahr Dauer. Kürzere Wartungsphasen wurden während dieser Perioden durchgeführt, längere (C/D Checks) zwischen zwei Observing Cycles. So konnten insgesamt mit dem Observatorium 783 Wissenschaftsflüge (Erprobungs- und Transferflüge nicht mitgerechnet) absolviert werden, dabei wurden für eine Dauer von rund 5.300 Stunden Daten aufgezeichnet. Die meisten Flüge wurden von der operativen Basis aus Palmdale in Kalifornien durchgeführt, aber es fanden auch regelmäßige Deployments zu anderen Standorten, meist auf der Südhalbkugel, statt. Christchurch in Neuseeland ist dabei die „zweite Heimat“ von SOFIA geworden.
Der Beobachtungsbetrieb wurde am 29.09.2022 auf Grund einer gemeinsamen Entscheidung von NASA und DLR nach erfolgreichem Abschluss von Flug #921 eingestellt. SOFIA wurde von Palmdale in das Pima Air and Space Museum in Arizona überführt, wo das Flugzeug als Dauerausstellung zu sehen ist. Die drei Spiegel des Teleskops wurden allesamt ausgebaut und werden voraussichtlich ab 2028 im neu gestalteten Deutschen Optischen Museum in Jena als Ausstellungsstücke zu sehen sein.
Weitere detaillierte Informationen zum SOFIA-Observatorium und seiner technischen Performance können der Veröffentlichung "SOFIA at Full Operational Capability: Technical Performance", von Pasquale Temi et al., erschienen 2018 im Journal of Astronomical Instrumentation, entnommen werden. An gleicher Stelle ist auch der Artikel "The SOFIA Telescope in Full Operation" von Andreas Reinacher et al. erschienen. Dieser enthält detaillierte Informationen zum SOFIA-Teleskop, seinem Aufbau und der Funktion seiner wesentlichen Subkomponenten. Umfassende Informationen zum gesamten SOFIA-Projekt gibt auch das reichhaltig bebilderte Buch "SOFIA - Mission infrarotes Universum", das über den Publikationsserver der der Universität Stuttgart (OPUS) zum Download bereit steht.
Kontakt
Oliver Zeile
Dr.-Ing.Wissenschaftlicher Mitarbeiter SOFIA Data Center
Manuel Wiedemann
Dr.-Ing.Wissenschaftlicher Mitarbeiter SOFIA Data Center
Michael Hütwohl
Dipl.-Ing.Project Manager SOFIA Data Center