Als das Hubble-Weltraumteleskop im April 1990 seine Reise ins All antrat, waren die Erwartungen gewaltig. Frei von der störenden Erdatmosphäre sollte es Bilder liefern, die schärfer waren als alles, was Astronomen bis dahin von einem großen optischen Teleskop kannten. Jahrzehntelange Planung, Milliardenkosten und enorme technische Anstrengungen steckten in dem Projekt. Doch schon wenige Wochen nach dem Start wurde klar, dass ausgerechnet eines der wichtigsten Bauteile nicht so funktionierte wie vorgesehen.

Hubbles Hauptspiegel war falsch geschliffen.

Der Fehler war winzig. Am äußeren Rand wich die Form des 2,4 Meter großen Spiegels nur um wenige Mikrometer von der vorgesehenen Krümmung ab. Für ein gewöhnliches Auge wäre eine solche Abweichung nicht erkennbar gewesen. Für ein Präzisionsteleskop jedoch genügte sie, um das einfallende Licht nicht exakt in einem einzigen Punkt zu bündeln. Hubble war nicht blind. Aber seine Bilder waren unschärfer als geplant und von charakteristischen Lichtschleiern umgeben.

Aus einem Prestigeprojekt der Raumfahrt war innerhalb weniger Wochen ein technisches Problem geworden, das weltweit für Schlagzeilen sorgte.

Warum waren die ersten Bilder von Hubble unscharf?

Hubble arbeitet nicht mit einer großen Linse, sondern mit Spiegeln. Das Licht eines weit entfernten Himmelsobjekts trifft zunächst auf den Hauptspiegel und wird anschließend über weitere optische Elemente zu den wissenschaftlichen Instrumenten geleitet. Damit ein möglichst scharfes Bild entsteht, muss die Oberfläche des Hauptspiegels mit äußerster Genauigkeit geformt sein.

Bei Hubble war genau diese Form fehlerhaft. Die äußeren Bereiche des Hauptspiegels waren etwas zu flach geraten. Dadurch wurden Lichtstrahlen, die verschiedene Bereiche des Spiegels trafen, nicht im gleichen Brennpunkt zusammengeführt. Es entstand eine sogenannte sphärische Aberration.

Das Ergebnis zeigte sich deutlich bei Sternaufnahmen. Statt eines möglichst konzentrierten Lichtpunkts erschien ein Teil des Lichts als verschwommener Hof um das eigentliche Objekt. Besonders bei lichtschwachen astronomischen Zielen war das problematisch, weil sich schwache Strukturen schlechter von ihrem Umfeld unterscheiden ließen.

Am 27. Juni 1990 machte die NASA den Fehler öffentlich. Nur gut zwei Monate zuvor war Hubble mit der Raumfähre Discovery gestartet worden.

Wie konnte der Fehler im Hubble-Spiegel entstehen?

Die Geschichte des fehlerhaften Spiegels gehört zu den bekanntesten technischen Pannen der Raumfahrt, gerade weil ihre Ursache erstaunlich klein war.

Der Hauptspiegel war von der amerikanischen Firma Perkin-Elmer gefertigt worden. Um während des Schleifens und Polierens zu prüfen, ob der Spiegel die richtige Form erreicht hatte, verwendeten die Techniker ein spezielles Messgerät, einen sogenannten Nullkorrektor. Dieses optische System sollte Abweichungen von der gewünschten Spiegelgeometrie sichtbar machen.

Nach der Entdeckung des Fehlers setzte die NASA eine Untersuchungskommission ein. Sie konnte das damals verwendete Messgerät untersuchen, das seit der Herstellung des Spiegels erhalten geblieben war. Dabei stellte sich heraus, dass innerhalb des Nullkorrektors eine Linse mit einem Abstand von etwa 1,3 Millimetern falsch positioniert worden war.

Diese geringe Abweichung hatte gravierende Folgen. Das Messgerät zeigte dem Fertigungsteam eine falsche Referenz. Der Spiegel wurde deshalb mit großer Präzision in die falsche Form gebracht.

Das Problem war also nicht, dass der Spiegel schlecht geschliffen worden wäre. Im Gegenteil: Seine Oberfläche war außerordentlich genau gefertigt worden. Nur entsprach diese Präzision einer falschen Vorgabe.

Warum wurde der Fehler vor dem Start nicht entdeckt?

Besonders unangenehm für die Verantwortlichen war eine weitere Erkenntnis der Untersuchung. Es hatte während der Fertigung Hinweise darauf gegeben, dass mit dem Spiegel oder der Messung etwas nicht stimmte.

Zusätzliche optische Prüfungen lieferten Ergebnisse, die nicht zu den Messungen des maßgeblichen Nullkorrektors passten. Statt diese Abweichungen als Warnsignal zu behandeln und die gesamte Messanordnung erneut grundlegend zu überprüfen, wurde dem als besonders genau angesehenen Hauptmessgerät vertraut. Die widersprechenden Testergebnisse wurden auf Fehler der anderen Messverfahren zurückgeführt.

Die spätere Untersuchung kam deshalb nicht nur zu dem Ergebnis, dass eine technische Fehljustierung vorlag. Sie zeigte zugleich Schwächen bei Qualitätskontrolle, Kommunikation und Entscheidungsprozessen während der Herstellung.

Der Fall Hubble wurde damit zu einem Lehrstück dafür, wie gefährlich es bei komplexen technischen Projekten sein kann, einer einzelnen Messmethode vollständig zu vertrauen, wenn andere Ergebnisse Zweifel aufwerfen.

War Hubble nach dem Spiegelproblem unbrauchbar?

Trotz der Aufregung war Hubble keineswegs wertlos. Das Teleskop konnte auch mit dem fehlerhaften Spiegel wissenschaftlich arbeiten.

Ein Teil seiner Leistungsfähigkeit blieb erhalten, und Wissenschaftler entwickelten Methoden, mit denen sich die Auswirkungen der Unschärfe bei bestimmten Beobachtungen teilweise rechnerisch ausgleichen ließen. Bereits in den ersten Jahren gelangen Hubble wissenschaftlich bedeutende Beobachtungen.

Besonders gut geeignet blieb das Teleskop für spektroskopische Untersuchungen, bei denen Licht in seine verschiedenen Wellenlängen zerlegt wird. Auch bei bestimmten hellen oder großflächigen Objekten konnten wichtige Daten gewonnen werden.

Dennoch erreichte Hubble nicht die Bildqualität, für die es gebaut worden war. Gerade die Fähigkeit, besonders feine Strukturen voneinander zu unterscheiden, gehörte zu den zentralen Gründen dafür, ein großes Teleskop überhaupt oberhalb der Erdatmosphäre zu betreiben.

Eine dauerhafte Lösung war deshalb unverzichtbar.

Warum wurde der Hauptspiegel nicht ausgetauscht?

Ein Austausch des Hauptspiegels war praktisch keine realistische Möglichkeit. Der 2,4 Meter große Spiegel gehörte zur grundlegenden Struktur des Teleskops und war nicht als Bauteil vorgesehen, das Astronauten bei einer Wartungsmission einfach entfernen konnten.

Hubble besaß jedoch einen entscheidenden Vorteil: Das Teleskop war von Anfang an so konstruiert worden, dass Astronauten es im Weltraum warten, reparieren und mit neuen Instrumenten ausstatten konnten.

Genau diese Fähigkeit rettete das Projekt.

Anstatt den fehlerhaften Spiegel zu verändern, beschlossen Ingenieure, seinen optischen Fehler an anderer Stelle auszugleichen. Im Prinzip sollte Hubble eine Brille erhalten. Wenn bekannt war, wie stark und in welcher Weise der Hauptspiegel das Licht falsch fokussierte, konnten zusätzliche optische Elemente diesen Fehler wieder aufheben.

Die Herausforderung bestand darin, diese Korrektur in bereits vorhandene und neue Instrumente des Teleskops zu integrieren.

Wie bekam Hubble seine „Brille“?

Für die erste Wartungsmission wurde das Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement entwickelt, kurz COSTAR. Dieses System enthielt mehrere kleine Spiegel, die so geformt und angeordnet waren, dass sie die sphärische Aberration des Hauptspiegels kompensierten.

COSTAR wurde allerdings nicht vor den Hauptspiegel gesetzt. Stattdessen leitete das System das bereits fehlerhaft fokussierte Licht korrigiert zu mehreren wissenschaftlichen Instrumenten weiter.

Für die Wide Field and Planetary Camera ging die NASA einen anderen Weg. Die ursprüngliche Kamera wurde durch die neue Wide Field and Planetary Camera 2 ersetzt. In deren Optik war die Korrektur des bekannten Spiegelfehlers bereits eingebaut.

Am 2. Dezember 1993 startete die Raumfähre Endeavour zur Mission STS-61. Sieben Astronauten sollten Hubble nicht nur optisch korrigieren, sondern auch weitere technische Arbeiten durchführen. Die Mission entwickelte sich zu einer der anspruchsvollsten Wartungsaktionen, die bis dahin im Weltraum durchgeführt worden waren.

Während fünf Außenbordeinsätzen wurden unter anderem Kameras, Gyroskope und Solaranlagen ausgetauscht. COSTAR ersetzte das High Speed Photometer. Gleichzeitig erhielt Hubble die neue Wide Field and Planetary Camera 2.

Funktionierte die Reparatur von Hubble wirklich?

Nach der Mission begann das Warten. Erst nachdem die Instrumente überprüft und neue Aufnahmen ausgewertet worden waren, ließ sich feststellen, ob die ungewöhnliche Reparatur tatsächlich funktionierte.

Im Januar 1994 bestätigte die NASA den Erfolg. Die Korrekturoptik erreichte die erhoffte Wirkung. Aufnahmen zeigten Sterne und Galaxien nun mit der ursprünglich vorgesehenen Schärfe.

Besonders anschaulich wurde der Unterschied bei Vergleichsbildern der Spiralgalaxie M100. Frühere Aufnahmen zeigten ihren Kern deutlich verschwommener. Mit der korrigierten Optik traten einzelne Strukturen wesentlich klarer hervor.

Der Hauptspiegel selbst blieb dabei unverändert. Der Herstellungsfehler befindet sich bis heute im Teleskop. Die nachfolgenden Instrumente wurden jedoch so konstruiert, dass sie ihn berücksichtigen.

COSTAR wurde dadurch im Laufe der Zeit überflüssig. Neue Kameras und Spektrografen besaßen ihre eigene Korrekturoptik. Bei der letzten Hubble-Wartungsmission im Jahr 2009 konnten Astronauten COSTAR schließlich ausbauen und den frei gewordenen Platz für den Cosmic Origins Spectrograph nutzen.

Wie schwerwiegend war die Hubble-Panne?

Rückblickend wirkt die Geschichte beinahe paradox. Einer der berühmtesten technischen Fehler der Raumfahrt traf ausgerechnet ein Teleskop, das später zu einem der erfolgreichsten wissenschaftlichen Instrumente überhaupt wurde.

1990 war diese Entwicklung keineswegs vorhersehbar. Hubble war ein äußerst teures internationales Großprojekt, dessen öffentlich versprochene Leistungsfähigkeit zunächst nicht erreicht wurde. Entsprechend groß waren Kritik und Spott.

Die eigentliche wissenschaftliche Katastrophe blieb jedoch aus. Zum einen konnte Hubble bereits vor der Reparatur Forschung betreiben. Zum anderen erlaubte seine wartungsfreundliche Konstruktion eine Lösung, die bei einem gewöhnlichen Satelliten kaum möglich gewesen wäre.

Die erste Servicemission demonstrierte damit etwas, das weit über den konkreten Spiegelfehler hinausging. Ein komplexes wissenschaftliches Raumfahrzeug musste nach seinem Start nicht zwangsläufig unveränderlich bleiben. Hubble konnte repariert und später mehrfach modernisiert werden.

Bei insgesamt fünf Wartungsmissionen zwischen 1993 und 2009 wurden Instrumente ausgetauscht, technische Systeme erneuert und die Leistungsfähigkeit des Observatoriums immer wieder erweitert.

Was wurde aus dem fehlerhaften Spiegel?

Der fehlerhafte Hauptspiegel befindet sich weiterhin in Hubble und wird nicht mechanisch korrigiert. Die heute eingesetzten wissenschaftlichen Instrumente berücksichtigen seine bekannte optische Abweichung innerhalb ihrer eigenen Systeme.

Das bedeutet, dass Hubble im streng technischen Sinn noch immer denselben falsch geschliffenen Spiegel besitzt, mit dem es 1990 gestartet ist. Seine „Kurzsichtigkeit“ wurde nicht geheilt, sondern dauerhaft kompensiert.

Gerade darin liegt ein bemerkenswerter Teil seiner Geschichte. Ein Fehler von wenigen Mikrometern hätte eines der ambitioniertesten Wissenschaftsprojekte seiner Zeit dauerhaft beschädigen können. Stattdessen gelang es Ingenieuren, die Abweichung so genau zu verstehen, dass sie eine passende Gegenkorrektur konstruieren konnten.

Aus dem Teleskop mit den verschwommenen Bildern wurde anschließend jenes Hubble, dessen Aufnahmen von Sternentstehungsgebieten, Galaxien, Planeten und weit entfernten Bereichen des Universums zu den bekanntesten Bildern der modernen Astronomie gehören.

Die Geschichte des Hubble-Spiegels ist deshalb nicht nur die Geschichte einer spektakulären Panne. Sie zeigt ebenso, wie Wissenschaft und Technik mit Fehlern umgehen können: nicht indem sie verschwinden, sondern indem ihre Ursachen verstanden werden. Hubbles Hauptspiegel war falsch und blieb es. Erst das genaue Wissen darüber machte es möglich, das Teleskop sehen zu lassen, wie es von Anfang an gedacht war.

Quellen
▪︎ NASA: Hubble’s Mirror Flaw, Hubble Space Telescope Mission
▪︎ NASA, Hubble Space Telescope Optical Systems Board of Investigation: The Hubble Space Telescope Optical Systems Failure Report
▪︎ NASA: The History of Hubble und Hubble History Timeline
▪︎ NASA Johnson Space Center: STS-61, the First Hubble Servicing Mission
▪︎ ESA/Hubble: The Spherical Aberration Problem und Servicing Mission 1
▪︎ Space Telescope Science Institute: Hubble-Beobachtungen und Vergleichsaufnahmen der Galaxie M100