septiembre 30, 2022

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El telescopio espacial James Webb de la NASA está a punto de convertirse en su forma final

El telescopio espacial James Webb tiene el increíblemente poderoso James Webb En el espacio desde hace tres díasPero quizás la parte más peligrosa de su viaje al espacio profundo está en curso. Pronto, el telescopio comenzará una danza mecánica de intrincado diseño a medida que cambia lentamente de forma y se abre, para alcanzar su forma final. para observar el universo distante.

Es una especie de origami espacial inverso que nunca se había hecho antes, pero es absolutamente esencial para que el Telescopio Espacial James Webb, o JWST, logre su misión. El telescopio era simplemente demasiado grande para lanzarlo con cualquier cohete en funcionamiento mientras estaba completamente extendido. Por eso, cuando saltó al espacio encima de un cohete europeo Ariane 5 el día de Navidad, hizo un viaje de morderse las uñas doblado en sí mismo como la navaja suiza más cara del mundo.

Ahora, durante las próximas dos semanas, JWST se retorcerá y remodelará (colocará un rayo aquí, un espejo allí) hasta que esté completamente configurado para mirar las partes más profundas del universo. «A veces llamamos a Webb un ‘telescopio transformador'», dice Amy Lo, ingeniera de alineación de JWST en Northrop Grumman, el contratista principal del telescopio. el borde. Es un proceso minucioso con cientos de piezas móviles que los ingenieros prueban repetidamente en el suelo, donde deberían ser impecables. Pero hay muchos puntos en el camino donde una falla de un mecanismo o un pequeño carrete de disparo podría poner en peligro el futuro de la misión JWST. Si bien los controladores de la misión en la Tierra tienen algunas técnicas de resolución de problemas que pueden usar si algo sale mal, eventualmente la nave espacial JWST debe hacer cada despliegue por sí solo casi a la perfección.

JWST plegado completamente sobre un misil Ariane 5 antes del lanzamiento.
Foto: NASA / Kris Jenn

JWST se dirige a un destino final a aproximadamente un millón de millas de la Tierra, y no hay cohetes o naves espaciales operacionales que puedan transportar astronautas de manera segura a esa distancia para ajustar el telescopio. E incluso si los humanos pueden acceder a él, JWST no está diseñado para ser útil. Entonces, si el telescopio esencialmente se rompe, eso sería para una misión que la NASA ejecuta por un total de $ 9,7 mil millones.

Todo podría parecer una complicación innecesaria para una misión de esta magnitud, pero no había un camino fácil por delante para JWST, según la NASA. «Realmente creo que no es posible simplificarlo dadas las limitaciones que enfrentamos», dijo Thomas Zurbuchen, administrador asociado de la Dirección de Misiones Científicas de la NASA. el borde. «Esto es lo que es.»

Los diseñadores de JWST sabían desde el principio que sus innovaciones tenían que desarrollarse mientras estaban en el espacio. En 1996, Cuando los científicos propusieron por primera vez hacer un telescopio como esteEl administrador de la NASA en ese momento, Dan Goldin, desafió a los ingenieros a crear una nave espacial con un espejo primario de hasta ocho metros de ancho. Al final, los diseñadores se decidieron por un espejo de 6,5 metros o 21 pies de ancho, pero este decreto determinó el destino del JWST plegado.

Eso es porque los cohetes más grandes que vuelan actualmente no son lo suficientemente anchos para sostener un espejo de este tamaño. Cuando lanza algo al espacio, la nave espacial debe ajustarse a la línea de carga útil del cohete, la estructura abultada que se asienta sobre el cohete durante la primera parte del vuelo. La racionalización es fundamental, ya que protege la nave espacial durante el lanzamiento y protege la carga útil de la atmósfera hasta que llega al espacio. Sin embargo, la amplitud de la aerodinámica es un factor limitante importante para el diseño de la nave espacial, ya que el vehículo Deber cabe en el interior. Es un problema al que los de la industria espacial a menudo se refieren como «tiranía del club».

Plegado espejo primario de JWST frente a publicación completa
NASA / Chris Jenn

El Ariane 5 tiene uno de los perfiles de carga útil más grandes actualmente en el mercado, que mide 5,4 metros, o casi 18 pies, de ancho. Pero todavía es demasiado pequeño para permitir que el espejo JWST se extienda por completo. Entonces, desde el principio, los diseñadores de la misión JWST construyeron el espejo en partes, con dos paneles a cada lado que podían girar hacia adentro y hacia afuera. Fue un gran desafío de diseño, ya que las partes tuvieron que unirse para comportarse como un solo espejo plano para recolectar la luz del universo distante. «Nunca antes se había tomado la decisión del espejo primario en órbita en el espacio», dice Lu.

JWST publicará sus paneles espejo dentro de los 12 a 13 días posteriores al lanzamiento. Pero antes de que eso suceda, el observatorio tiene que atravesar un proceso de implementación más complejo, que tardará hasta seis días en completarse. Es un despliegue de protector solar JWST, un dispositivo complejo diseñado para bloquear el calor del sol y mantener el telescopio muy frío mientras está en el espacio. Si bien el proceso de implementación está diseñado para ser flexible y las cosas pueden cambiar, El primer paso para la protección solar debería comenzar hoy., lo que significa que todos los asociados con esta tarea aguantarán la respiración durante la próxima semana.

«El protector solar en sí, de todos nuestros despliegues, es el más complejo», dice Lee Feinberg, director del Elemento del Telescopio Óptico JWST en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA. el borde. «Tiene las partes más móviles».

El protector solar es una característica necesaria debido a cómo está diseñado JWST. El telescopio monitoreará estrellas y galaxias distantes en infrarrojos, un tipo de luz invisible para nuestros ojos pero emitida por cualquier cosa que lleve calor. Pero para recolectar fotones infrarrojos, el telescopio espacial James Webb debe operar a temperaturas increíblemente frías, tan bajas como -370 grados Fahrenheit. Si se calienta demasiado, el telescopio puede emitir una gran cantidad Rey Luz infrarroja, que puede interferir con las observaciones de la nave espacial del universo.

Las capas de visera solar de JWST tienen elasticidad e intensidad.
Foto: NASA / Kris Jenn

Ponte el bloqueador solar, que ofrece un excelente protector solar para JWST. El escudo está hecho de cinco capas extremadamente delgadas de un material brillante llamado Kapton, cada capa del tamaño de una cancha de tenis. La capa exterior siempre estará orientada hacia el sol y obtendrá la mayor parte de su calor, operando a 230 grados Fahrenheit. Pero cada capa sucesiva será cada vez más fría, de modo que las herramientas JWST se mantengan agradables y frescas.

Las películas reflectantes del calor del escudo son muy sensibles, por lo que se requirió un cuidado especial y una ingeniería especial para estirar las capas hacia afuera en el espacio y apretarlas sin rasgarse. “Hay sistemas que extienden y aprietan las capas”, dice Feinberg. «Es un poco como una vela en un barco en términos de cómo vas a hacerla rodar».

Todo el proceso se basa en cientos de partes móviles diferentes, incluidos hasta 140 mecanismos de liberación, 400 poleas, 70 bisagras y 90 cables, según la NASA. También existen varios planes de contingencia en caso de que el despliegue no se realice como se esperaba. La NASA tiene la opción de reenviar comandos al telescopio, en caso de que el primer comando no active un movimiento. Los ingenieros también construyeron tantas naves espaciales de repuesto como fuera posible. Hay áreas con múltiples circuitos que pueden realizar la misma tarea, en caso de que el circuito inicial no se dispare correctamente.

Pero hay momentos en los que realmente no hay opciones de respaldo. Durante el proceso de implementación, hay más de 300 eventos conocidos como «falla de un solo punto». Esas son las publicaciones que Posee Trabajar por diseño, porque no se puede construir con repetición. «Las fallas en un momento dado son pequeñas cosas divertidas. Y técnicamente lo que significan es, esa cosa», dice Low. Deber «JWST depende en gran medida de ellos durante todo el proceso de implementación. Por ejemplo, se necesitan un total de 107 dispositivos de liberación para liberar películas de protección solar, lo que les permite estirarse a su forma completa. Según Lo, todos estos 107 son fallas puntuales. una.

La NASA no es ajena a las fallas puntuales. Cuando la agencia espacial aterrizó su persistente rover en Marte en febrero pasado, la secuencia de aterrizaje contenía casi 100 puntos únicos de falla, según Zurbuchen. El aterrizaje fue completamente impecable. Además, la NASA y Northrop Grumman han probado varios despliegues de JWST en la Tierra durante los últimos dos o tres años, ensayándolos intrincadamente para la exhibición final. Cada componente se probó individualmente en la Tierra docenas de veces primero, antes de agregarse a la nave espacial. Luego, todo el telescopio se dobló y se abrió varias veces como una unidad cohesiva.

«¿Tenemos confianza en que entraremos en órbita?», Dice Lu. «La razón es que pasamos estas rigurosas pruebas desde el nivel del suelo hacia arriba».

Las pruebas de JWST en el suelo tomaron varios años más de lo planeado, pero tuvieron que ser rigurosas debido a su imposibilidad de reparación. Es una de las mayores diferencias entre el telescopio JWST y su predecesor, el Telescopio Espacial Hubble, que ha estado en órbita alrededor de la Tierra desde 1990. Hubble fue diseñado intencionalmente para obtener la sintonía mientras estaba en órbita por los astronautas visitantes; JWST no tiene esta capacidad. Además, enviar humanos a un telescopio generaría mucho calor de todos modos. «Incluso si se pone el traje espacial a nuestro alrededor, todavía hace más calor que el ambiente del telescopio», dice Zurbuchen.

Aunque una misión de servicio humano no es factible para JWST, la NASA hizo un pequeño ajuste de diseño en caso de que la agencia quisiera modificar el telescopio algún día. En la parte posterior de JWST hay pegatinas en forma de cruces. Están destinados a servir como objetivos, para ayudar a guiar a un potencial visitante de una nave espacial robótica a JWST en el futuro. Durante la última década, muchas empresas aeroespaciales han trabajado en un «servicio satelital», diseñado para ponerse al día y capturar satélites que ya están en el espacio, ya sea para repostar en sus tanques o para modernizar componentes obsoletos. Es posible que algún día, la NASA quiera enviar un satélite de mantenimiento a JWST para agregar más combustible a los tanques del telescopio, extendiendo su tiempo en el espacio. Si eso sucede, los objetivos proporcionarán un punto de referencia de dónde debe colgarse la nave espacial visitante para llenar el tanque JWST.

Sin embargo, nadie en la NASA está considerando esta misión de reabastecimiento de combustible en este momento. Todos los asociados con JWST se centran directamente en las implementaciones. Una vez que el telescopio esté completamente abierto durante las próximas dos semanas, todavía queda mucho trabajo por hacer mientras el observatorio se mueve a través del espacio profundo. La NASA continuará ajustando los espejos JWST muy levemente, asegurándose de que estén todos alineados según lo previsto. Y unos 29 días después del lanzamiento, el telescopio realizará un encendido final de sus propulsores, colocándolo en su posición final en el espacio profundo.

En ese momento, el trabajo acababa de comenzar. Luego, el personal de la misión probará y calibrará todos los instrumentos JWST para asegurarse de que estén funcionando correctamente. Este proceso llevará meses y las operaciones científicas están programadas para comenzar en algún momento de este verano.

Entonces, incluso si el JWST se publica según lo previsto después de un par de semanas, la preocupación realmente nunca termina. «Ahí es cuando creo que muchos de nosotros daremos un suspiro de alivio, pero, por supuesto, las herramientas y los espejos recién estaban comenzando», dice Lu. «Un grupo diferente de personas (fabricantes de herramientas, diseñadores, ingenieros, científicos) comenzarán a contener la respiración».

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