Die erste Mission der US Raumfähre „Columbia“ nach zweijähriger Generalüberholung zählte zu den herausragenden Unternehmen des gesamten Shuttle Programms. Nach Abschluß der Umbauten verfügte die „Columbia“ nun u.a. über ein modernes „Glas-​Cockpit“, konnte aber als einziger Orbiter wegen ihres vergleichsweise hohen Leergewichts nicht (sinnvoll) zur ISS fliegen. Doch für die Hubble Wartungsmission 3 B taugte sie. Vollgestopft mit Ersatzteilen hob das Shuttle am 01.03.2002 um 11:22 UTC zur Mission „Columbia“ F-​27  STS-​109  ab. Die Crew bestand aus Kommandant Scott Altman, Pilot Duane Carey sowie den Missionsspezialisten John Grunsfeld, Nancy Currie (Nancy Sherlock), James Newman, Richard Linnehan und Michael Massimino. Nach dem Erreichen der Umlaufbahn war die Mission vorübergehend ernsthaft gefährdet, als Sensordaten zeigten, daß der Kühlmittelfluß im Backbord-​Radiator der Nutzlastbucht unter den erforderlichen Werten lag. Damit drohte eine Überhitzung, was nach den Sicherheitsrichtlinien einen Abbruch des Unternehmens nach sich gezogen hätte. Nach eintägigen Konsultationen wurde schließlich aber doch einer Fortsetzung der Mission zugestimmt, da sich die Situation auf dem Niveau stabilisiert hatte. Am 03.03.2002 hatte die Cockpit-​Crew die „Columbia“ nahe genug an das Hubble Space Telescope herangebracht, so daß Missionsspezialistin Currie dieses mit dem RMS ergreifen konnte, um es in der Nutzlastbucht zu verstauen. Bereits am Tag zuvor waren die Sensorabdeckungen des HST geschlossen worden, nun rollten sich auch die Solarzellenflächen problemlos ein. Ein missionskritischer Punkt war damit bereits bewältigt. Das erste Außenbordmanöver unternahmen am 04.03.2002 ab 06:37 UTC dann Grunsfeld und Linnehan. Während Grunsfeld die acht Jahre alten Solarzellenflächen demontierte und in einem Transportcontainer in der Nutzlastbucht verstaute, entpackte Linnehan das erste neue Exemplar und ließ sich mit dem Manipulatorarm zur Montagestelle hieven. Problemlos gelang das Manöver mit dem 320 kg schweren Teil. Nachdem die Anschlüsse hergestellt waren, folgte die Funktionsprobe. Ohne Schwierigkeiten entfaltete sich die Solarzellenfläche auf die volle Länge von 8 m. Die neuen „Sonnensegel“ waren damit zwar wesentlich kleiner, lieferten aber dank modernster GaAs Solarzellen 20 bis 30% mehr Energie. Nach 7:01 h waren die Arbeiten erfolgreich abgeschlossen. Am nächsten Tag setzten Newman und Massimino ab 06:40 UTC die Arbeiten fort. Sie tauschten innerhalb von 7:16 h die zweite Solarzellenfläche und eines der defekten Gyroskope. Das alles entscheidende Außenbordmanöver begann dann am 06.03.2002 um 08:28 UTC mit zweistündiger Verspätung. Bei den Vorbereitungen zu seiner zweiten EVA hatte Missionsspezialist Grunsfeld ein Leck an seinem Raumanzug entdeckt, der daraufhin mit dem Exemplar seines Kollegen Newman getauscht werden mußte. Ziel der Arbeiten an diesem Tag war der Austausch der kompletten zentralen Steuereinheit des Hubble Energieversorgungssystems. Diese war bei der Konstruktion des HST nie für einen Wechsel konzipiert worden. Doch eine lose Schraube in dem System hatte über Jahre hinweg immer wieder für Probleme gesorgt. Nun hatte man sich zum Austausch entschlossen. Doch dazu mußte Hubble komplett stromlos geschaltet werden. Sollte sich innerhalb von längstens acht Stunden die Energieversorgung aber nicht wieder herstellen lassen, wäre das das Ende von Hubble. Denn dann würde das Teleskop soweit auskühlen, daß Schäden an der Optik und der Elektronik unvermeidlich waren. Insgesamt 36 teils winzige Steckkontakte mußten Grunsfeld und Linnehan mit den klobigen Handschuhen ihrer Raumanzüge lösen. Eine ermüdende Arbeit, bei der sich beide abwechselten. Schließlich tauschte Grunsfeld die Power Unit aus und begann damit, die ersten Steckverbinder wieder anzubringen. Als nach 6:48 h das Außenbordmanöver abgeschlossen war, hatte die Flugleitung in Houston die Gewißheit, daß alle Systeme wieder online waren. Die „Operation am offenen Herzen“ war geglückt. Die abschließenden beiden Außenbordmanöver dienten nun dem Austausch wissenschaftlicher Instrumente. Am 07.03.2002 ersetzten Newman und Massimino ab 09:00 UTC innerhalb von 7:30 h zunächst die Faint Object Camera, das letzte verbliebene Instrument aus der Startkonfiguration von 1990. Es war jene Kamera, deren Optik aufgrund eines Fertigungsfehlers zunächst nur unscharfe Bilder gelieferte und die 1993 bei einer außerplanmäßigen Wartungsmission eine „Brille“ erhalten hatte. Nun wurde stattdessen die Advanced Camera for Surveys ACS montiert. Sie übertraf hinsichtlich Auflösung und Empfindlichkeit das bisher beste Instrument, die Wide Field and Planetary Camera erheblich. Die EVA wurde ebenfalls genutzt, um eine Elektronikbaugruppe zu installieren, die am nächsten Tag für die Wiederinbetriebnahme des NICMOS Instruments benötigt wurde. Dazu stiegen am 08.03.2002 nochmals Grunsfeld und Linnehan in ihre Raumanzüge. Sie installierten ab 08:46 UTC das experimentelle NICMOS Cooling System. Die 1997 installierte Infrarot-​Kamera war zwei Jahre später ausgefallen, da sie durch ein Leck den tiefgekühlten Flüssigstickstoff verloren hatte, den sie zum Betrieb benötigte. Nun wurde das Near Infrared Camera and Multi-​Object-​Spectrometer mit dem neuen Kühlsystem auf der Außenhaut des HST verbunden. Dazu mußten zahlreiche Kabel bzw. Rohrleitungen verlegt und angeschlossen werden. Assistiert wurden die beiden Astronauten von Missionsspezialistin Currie und später Kommandant Altman, die den Manipulatorarm bedienten. Nach 7:20 h war die fünfte und letzte EVA abgeschlossen. Einen Tag später wurde das HST wieder ausgesetzt und die „Columbia“ manövrierte vorsichtig von ihm weg. Nach zwei weiteren Tagen im All, die auch zur Erholung der Crew von den zurückliegenden anstrengenden 17 Stunden Tagen dienten, kehrte die „Columbia“ schließlich zur Erde zurück. Die Landung erfolgte am 12.02.2002 um 09:32 UTC nach 262:10 h auf der Runway 33 des KSC.