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Wie die Schweiz zu PLATO beiträgt

Die nächste ESA-Planetenjagd-Mission erhielt grünes Licht für die Fortsetzung ihrer Entwicklung, nachdem die kritische Meilensteinprüfung im Januar erfolgreich abgeschlossen wurde. Die Schweiz spielt eine Schlüsselrolle bei diesem besonderen Vorhaben. 

Künstlerische Illustration von PLATO im Weltraum.

Wie viele felsige, erdähnliche Planeten gibt es in den Weiten des Kosmos? Wie viele umkreisen einen Stern, der unserer Sonne ähnlich ist? Wie viele könnten möglicherweise bewohnbar sein? Dies sind einige der wichtigsten Fragen, die die Astronomie zu beantworten hoffen könnte. Bislang hat sie das nicht getan. Nicht, weil sie sich nicht bemüht hätte, sondern weil die Instrumente, mit denen solche Fragen beantwortet werden könnten, schlicht nicht existieren. Noch nicht.

Eine Mission die speziell zur Beantwortung dieser Fragen konzipiert wurde und sich derzeit in der Entwicklung befindet ist PLATO (PLAnetary Transits and Oscillations of stars). Im Januar durchlief sie die so genannte kritische Meilensteinprüfung, bei der wesentliche Teile der Entwürfe überprüft wurden – beispielsweise die Fähigkeit des Raumfahrzeugs, seine Nutzlast, also die Teleskope mit denen es seine Ziele beobachten wird, sicher zu tragen.

Die Schweiz und der NFS PlanetS spielen wichtige Rollen bei der Realisierung von PLATO und seinen wissenschaftlichen Zielen.

Eine Fülle von Fachwissen für Folgeuntersuchungen 

Planeten die ihren Stern viele Lichtjahre von der Erde entfernt umkreisen sind extrem schwer direkt zu beobachten, da sie im Vergleich zu ihren Wirtssternen unglaublich lichtschwach sind. PLATO wird daher Planeten mit der sogenannten Transitmethode indirekt aufspüren. Mit dieser Methode werden Helligkeitsabfälle eines Sterns erkannt, wenn ein Planet zwischen dem Stern und dem Teleskop vorbeizieht — einem Transit.

Aus Transiten können Astronominnen und Astronomen nicht nur auf die Existenz eines Exoplaneten schliessen, sondern auch seine Grösse anhand des Ausmasses der Lichtabschwächung des Sterns abschätzen. Um seine Masse zu ermitteln und festzustellen, ob ein Planet aus Gestein oder eher aus Gas oder Eis besteht, sind jedoch zusätzliche Untersuchungen erforderlich.

Solche Folgeuntersuchungen könnten mit anderen Instrumenten – zum Beispiel dem High Accuracy Radial velocity Planet Searcher – HARPS – am bodengestützten ESO-Teleskop La Silla 3.6m unternommen werden.

Künstlerische Illustration eines Exoplanetensystems. Credit: ESA

“Seit der ersten Entdeckung eines Exoplaneten um einen sonnenähnlichen Stern im Jahr 1995 verfügt die Universität Genf über ein weltweit führendes Know-how bei der Entdeckung von Exoplaneten und deren Massen mit der sogenannten Radialgeschwindigkeitsmethode. Durch die Entdeckung von Veränderungen im Licht eines Sterns, die auf die Anziehungskraft eines ihn umkreisenden Planeten zurückzuführen sind, können wir die Masse eines Planeten ermitteln. In Kombination mit den Ergebnissen von PLATO werden wir auch die Zusammensetzung eines Planeten bestimmen können”, erklärt PLATO-Forscher Stéphane Urdy, Professor für Astronomie an der Universität Genf und Mitglied des NFS PlanetS.

Stéphane Udry, Co-Direktor des NFS PlanetS. (Photo: Universität Genf)

PLATO wird nicht das erste Instrument sein, das Exoplaneten auf diese Weise aufspürt – mit seinen vier Teleskopen hat beispielsweise die TESS-Exoplanetenmission der NASA bereits Tausende von Exoplaneten mit Hilfe der Transitmethode entdeckt. PLATO wird jedoch mit nicht weniger als 26 separaten Teleskopen ausgestattet sein, die auf erdähnliche Planeten abzielen: Gesteinsplaneten, die sonnenähnliche Sterne in der so genannten bewohnbaren Zone umkreisen, in der flüssiges Wasser existieren kann. Damit unterscheidet sich PLATO von früheren Missionen wie TESS, die besser geeignet sind, riesige (Gas-)Planeten aufzuspüren, die ihren Stern auf sehr engen Bahnen umkreisen (was sie zwar leichter aufzuspüren, aber auch ziemlich lebensfeindlich macht). PLATO wird auch in der Lage sein, präzise Messungen der Masse, der Grösse und des Alters von Sternen zu liefern – alles wichtige Faktoren, um Planetensysteme als Ganzes zu verstehen.

“Die einzigartigen Fähigkeiten von PLATO werden eine Fülle von Daten liefern, die Astronomen über Jahrzehnte beschäftigen werden. Mit unserer jahrzehntelangen Erfahrung auf diesem Gebiet werden die Forschenden der Universität Genf eine wichtige Rolle in diesem Prozess spielen”, freut sich Urdy. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen, so hofft Urdy, werden Astronominnen eine bessere Vorstellung davon vermitteln, welche Art von Planeten es im Weltall gibt und in welchen Systemen sie existieren – und uns letztlich helfen, unseren Platz im Kosmos besser zu verstehen.

Doch bis es so weit ist, muss PLATO erst einmal gebaut werden. Alles beginnt mit der Halterung für die wichtigsten Teile – den 26 Teleskopen, mit denen es den Himmel beobachten wird.

Vom Computer in den Weltraum

Virginie Cessa ist Projektleiterin des PLATO-Modulbaus an der Universität Bern.

“Wenn man etwas für den Weltraum konstruiert, muss man mehrere Anforderungen berücksichtigen. Zum Beispiel die starken Vibrationen beim Start oder die extremen Temperaturen, die im Weltraum auftreten. Und natürlich muss alles so leicht wie möglich sein”, erklärt Virginie Cessa, Projektleiterin für die Entwicklung der mechanischen Strukturen für die 26 PLATO Telescope Optical Units (TOU) an der Universität Bern (UBE).

Diese Teleskope machen PLATO zu etwas ganz Besonderem, wie sie betont: “Da PLATO 26 Teleskope haben wird, wird jede zusätzliche Masse mit 26 multipliziert. Deshalb war es besonders wichtig, dass jedes Teleskop so leicht wie möglich ist.”

Um die strengen Leistungsanforderungen zu erfüllen, werden die Teleskoprohre aus einem besonderen Material hergestellt: AlBeMet – einer Legierung aus Aluminium und Beryllium. Es hat eine niedrige Dichte, was es leicht macht, und ist sehr widerstandsfähig gegen Temperaturschwankungen. “AlBeMet ist ein fantastisches Material für unseren Zweck, aber es hat einen Nachteil: Es ist giftig. Die Bearbeitung erfordert daher eine spezielle Infrastruktur, die unsere Industriepartner zur Verfügung stellten”, so Cessa.

Plato-Nutzlastmodul (einschliesslich 26x UBE-Optik-Teleskop-Dummies) im Reinraum des Raumfahrzeugherstellers OHB. Bild: OHB

Die Ingenieurin und ihr Team in Bern haben bereits mechanische und thermische Dummys für 26 optische Teleskope geliefert, die auf dem PLATO-Nutzlastmodul in der Raumfahrtproduktionsstätte der Firma OHB integriert worden sind. Das Team plant, alle 26 Teleskophalterungen bis Ende 2022 zu liefern. Die Einhaltung des Zeitplans ist besonders wichtig, da die Strukturen für den weiteren Zusammenbau des Teleskops benötigt werden.  “Unsere mechanischen Teile sind die ersten in der Montagekette. Wir liefern sie nach Italien, wo die Linsen hergestellt und in die Teleskopstruktur integriert werden. Die Teleskope werden dann nach Belgien geliefert, wo weitere Teile, die in Spanien gebaut werden, integriert werden. Jede Verzögerung auf unserer Seite wirkt sich also auf das gesamte Konsortium aus”, betont Cessa. Doch bisher läuft alles nach Plan. Sechs der Teleskopstrukturen haben bereits ihren Weg zum Zielort gefunden. “Wir sind gespannt darauf, dass die Entwürfe, die wir auf unseren Computern gemacht haben, hergestellt werden und freuen uns auf die ersten wissenschaftlichen Ergebnisse, die sie ermöglichen”, schliesst Cessa.