Η αντίληψη ενός καλλιτέχνη (2015) για το πώς θα είναι το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb όταν ολοκληρωθεί και αναπτυχθεί επιτυχώς. Πιστωτική εικόνα: Northrop Grumman.

Μια ματιά στο παρασκήνιο για την κατασκευή του μεγαλύτερου τηλεσκοπίου από όλα

Πώς δημιουργήθηκε το Διαστημικό Τηλεσκόπιο James Webb.

«Με τον ένα ή τον άλλο τρόπο, τα πρώτα αστέρια πρέπει να έχουν επηρεάσει τη δική μας ιστορία, ξεκινώντας από το να ανακατεύουμε τα πάντα και να παράγουμε τα άλλα χημικά στοιχεία εκτός από το υδρογόνο και το ήλιο. Επομένως, αν θέλουμε πραγματικά να μάθουμε από πού προήλθαν τα άτομα μας και πώς ο μικρός πλανήτης Γη ήταν ικανός να υποστηρίξει τη ζωή, πρέπει να μετρήσουμε τι συνέβη στην αρχή. " - Τζον Μάτερ

Έτσι, θέλετε να δείτε πιο μακριά στο Σύμπαν από ποτέ; Για να ανακαλύψετε πώς μεγάλωσε? για τη μέτρηση των πρώτων αστεριών και των γαλαξιών. να το δείτε με νέο τρόπο και με μεγαλύτερη ακρίβεια από ποτέ; Κατ 'αρχήν, είναι μια απλή πρόκληση. Απλώς δημιουργήστε έναν μεγαλύτερο κύριο καθρέφτη για να συγκεντρώσετε περισσότερο φως από ποτέ, ευαίσθητο σε μεγαλύτερα μήκη κύματος φωτός από το Χαμπλ για να δείτε το νωρίτερο φως που τεντώνεται από το επεκτεινόμενο Σύμπαν, με μια σειρά προηγμένων οργάνων για τη μεγιστοποίηση των πληροφοριών που συλλέγονται από το φως, ψύχονται σε κρυογονικές θερμοκρασίες για την ελαχιστοποίηση της μόλυνσης. Ω, και κάντε τα όλα στο διάστημα, σε κλίμακα που δεν το έχετε κάνει ποτέ πριν. Δεν είναι μόνο η επιστήμη και τα επιστημονικά όργανα που θα σας οδηγήσουν εκεί, αλλά μια αξιοσημείωτη ιστορία μηχανικής για το πώς να προβλέψετε το άγνωστο και να αντιμετωπίσετε την πρόκληση. Για να φτάσετε εκεί, πρέπει να δείτε τα πράγματα διαφορετικά από το πώς ακόμη και οι επιστήμονες θα τα βλέπουν. Είχα την ευκαιρία να καθίσω με τον Jon Arenberg, τον αρχιμηχανικό του διαστημικού τηλεσκοπίου James Webb του Northrup Grummon, και να έχω μια ιδέα για το πώς λειτουργεί αυτό μέσα από τα μάτια του.

Η έναρξη του STS-93, του διαστημικού λεωφορείου Κολούμπια, το 1999. Πιστοποίηση εικόνας: NASA.

Ρίξτε μια ματιά στην παραπάνω εικόνα και τι βλέπετε; Ίσως βλέπετε το διαστημικό λεωφορείο. Ίσως βλέπετε το διαστημικό λεωφορείο Κολούμπια, να ξεκινά τη νύχτα. Αλλά για τον Jon, βλέπει κάτι άλλο: το διαστημικό λεωφορείο ξεκινά με τον δορυφόρο του πάνω του. Πριν ξεκινήσει να εργάζεται στο James Webb, ο Jon βοήθησε στην κατασκευή του Παρατηρητηρίου Ακτίνων Χ Chandra, το οποίο λειτουργεί με επιτυχία τα τελευταία 18 χρόνια. Μία από τις προκλήσεις που δεν σκέφτεστε με ένα διαστημικό τηλεσκόπιο είναι ότι πρέπει να χωράει μέσα στο όχημα εκτόξευσης, το οποίο θέτει πρόσθετους περιορισμούς στην κατασκευή, την τοποθέτηση, τον σχεδιασμό του περιβλήματος και τον ηλεκτρομηχανικό σχεδιασμό όλων των επί του σκάφους. Πρέπει να σχεδιάζετε για κάθε στάδιο - σχεδιασμός στοιβασίας, εκτόξευση, αποσυμπίεση, ανάπτυξη, έκθεση στο κενό του χώρου και διάρκεια ζωής - από την αρχή. Και κάθε έργο έχει τις δικές του μοναδικές προκλήσεις.

Τεχνικοί και επιστήμονες ελέγχουν έναν από τους δύο πρώτους καθρέφτες του τηλεσκοπίου Webb στο καθαρό δωμάτιο στο Διαστημικό Κέντρο Πτήσης Goddard της NASA. Πιστωτική εικόνα: NASA / Chris Gunn.

Για το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb, φαίνεται ότι κάθε πρόκληση είναι μοναδική. Η αρχιτεκτονική του τηλεσκοπίου είναι εντελώς νέα για το spaceflight. Η ανοιχτή αρχιτεκτονική για ψύξη, όπου το σκάφος ψύχεται παθητικά και προστατεύεται από τον Ήλιο, είναι καινούργιο. Το αντηλιακό πέντε επιπέδων είναι καινούργιο και έπρεπε να σχεδιαστεί από το μηδέν. Πρόκειται για τον πρώτο καθρέφτη πολλαπλών τμημάτων στο διάστημα, που σημαίνει ότι όχι μόνο ο σχεδιασμός είναι μοναδικός, αλλά και η ανάπτυξη απαιτούσε έναν εντελώς νέο σχεδιασμό. Και η λειτουργία του τηλεσκοπίου - η ακολουθία που ξεδιπλώνεται - είναι από μόνη της ένα θαύμα της μηχανικής.

Ο σχεδιασμός και η κατασκευή ενός τηλεσκοπίου όπως αυτό, γεμάτο με νέες προκλήσεις που δεν έχει αντιμετωπίσει ποτέ η ανθρωπότητα, είναι μια πρόκληση με κάτι περισσότερο από την έννοια της μηχανικής. Πρέπει να υπολογίσετε πόσο χρόνο, χρήματα και πόρους χρειάζεστε για να τα δημιουργήσετε. Δεν μπορείτε να βασίζεστε σε πράγματα που λειτουργούν με τον τρόπο που τα σχεδιάσατε για πρώτη φορά. δεν μπορείτε να βασιστείτε στην αρχική σας εργασία που περνά όλες τις δοκιμασίες άγχους δεν μπορείτε να βασιστείτε στην ομαλή ενσωμάτωση με ένα σύστημα που δεν έχει ακόμη σχεδιαστεί. Πρέπει να εκτιμήσετε τα "άγνωστα άγνωστα" όταν σχεδιάζετε για πρώτη φορά τον προϋπολογισμό σας και πρέπει να δημιουργήσετε μια ομάδα που όχι μόνο υπερέχει σε αυτό που κάνουν, αλλά υπερέχει στον εντοπισμό και την επίλυση προβλημάτων που δεν θα μπορούσαν να προβλέψουν θα υπήρχαν .

Τα επιστημονικά όργανα της μονάδας ISIM κατεβάζονταν και εγκαταστάθηκαν στην κύρια συναρμολόγηση του JWST το 2016. Πιστοποίηση εικόνας: NASA / Chris Gunn.

Επιπλέον, τα διάφορα στοιχεία φθάνουν όλα στο στάδιο ολοκλήρωσής τους σε διαφορετικούς χρόνους. Τα τέσσερα κύρια επιστημονικά όργανα κατασκευάστηκαν όλα ανεξάρτητα, από Αμερικανούς, Καναδάς, Ευρωπαίους και άλλους διεθνείς εταίρους. Η μονάδα ISIM χτίστηκε στο Goddard και ενσωματώνει όλα τα όργανα με το υπόλοιπο του διαστημικού σκάφους. Η επιστημονική γενναιοδωρία στο εγγύς υπέρυθρο, στη φασματοσκοπία, στην ικανότητα να δείχνει καλύτερα από ποτέ (σε καλύτερο από το ένα εκατοστό ενός βαθμού) και στην ευαισθησία θα είναι απαράμιλλη. Αλλά τα άλλα εξαρτήματα - οι καθρέφτες, το προστατευτικό ηλιοφάνειας και το συγκρότημα - έχουν επίσης πολλές μοναδικές προκλήσεις, που ίσως δεν έχετε σκεφτεί ποτέ να αντιμετωπίσετε.

Η εγκατάσταση του 18ου και τελικού τμήματος του πρωτογενούς καθρέφτη JWST. Τα μαύρα καλύμματα προστατεύουν τα επιχρισμένα τμήματα καθρεφτών. Πιστωτική εικόνα: NASA / Chris Gunn.

Οι καθρέφτες. Όταν κατασκευάζετε ένα τηλεσκόπιο καθρέφτη στη Γη, μπορείτε να το φτιάξετε υπό τις ίδιες συνθήκες που θα το χρησιμοποιείτε. Αλλά στο διάστημα, σε μήκη κύματος υπέρυθρων, πρέπει να κατασκευάσετε μια τμηματική δομή που λειτουργεί σαν μια λεία, ενιαία επιφάνεια με ανοχή 20 νανόμετρα. Πρέπει να είναι ελαφρύ για εκτόξευση και πρέπει να είναι δομικά υγιές. Για να φτιάξουν αυτούς τους καθρέφτες, κατασκευάζουν μια λεία επιφάνεια σε θερμοκρασία δωματίου, αλλά σχεδιάζουν να έχουν τις απαραίτητες ιδιότητες σε θερμοκρασίες κάτω από υγρό-άζωτο. Το κατασκευάζουν κάτω από τη βαρύτητα της Γης, αλλά σε αυτές τις κλίμακες, ακόμη και η παραμόρφωση της βαρύτητας έχει σημασία. οι καθρέφτες θα λειτουργούν στο περιβάλλον μηδενικής βαρύτητας του χώρου. Δημιουργούν την ομαλή, γυαλισμένη, επικαλυμμένη επιφάνεια στο μπροστινό μέρος αλλά το μηχάνημα απέχει 92% της πλάτης, δημιουργώντας μια επιφάνεια 25 τετραγωνικών μέτρων με μόλις 6,25 μετρικούς τόνους υλικού: περισσότερο από επτά φορές μεγαλύτερη από το Χαμπλ αλλά μόλις το 55% του Χαμπλ μάζα. Η θεμελιώδης πρόκληση είναι ότι μπορείτε να κάνετε μετρήσεις μόνο στα ελεγχόμενα περιβάλλοντα και τους προσανατολισμούς σας, αλλά πρέπει να κατασκευάσετε τους καθρέφτες για να λειτουργήσετε υπό συνθήκες διαστημικής πτήσης. Μόλις δημιουργήσετε τους πρώτους επιτυχημένους καθρέφτες - αυτούς που περνούν όλες τις δοκιμές υπό συνθήκες λειτουργίας - οι καθρέφτες τελειώνουν με εκπληκτική κανονικότητα.

Η πρώτη επιτυχημένη δοκιμή ξετυλίγματος και των πέντε επιπέδων πραγματοποιήθηκε το 2014 και παρείχε πολύτιμα μαθήματα που βοηθούν στη διασφάλιση της επιτυχίας του JWST κατά την έναρξη και την ανάπτυξη. Πιστωτική εικόνα: Northrop Grumman / Alex Evers.

Το Sunshield. Είναι πάντα πρόκληση η ανάπτυξη ενός εντελώς νέου αρχιτεκτονικού στοιχείου. Μέχρι το JWST, όλα τα διαστημικά τηλεσκόπια υπέρυθρων ψύχθηκαν ενεργά: ανεβάζετε λίγο ψυκτικό και τοποθετείτε το τηλεσκόπιο σας σε ένα κρυογονικό ψυγείο. Αλλά αυτό το τηλεσκόπιο είναι πολύ μεγάλο για αυτό! Αντίθετα, σχεδίασαν και δημιούργησαν μια σειρά στρωμάτων ασπίδων για μόνιμη θωράκιση του τηλεσκοπίου από τον Ήλιο: Η JWST θα έχει μια «πλευρά του ήλιου» που αντιμετωπίζουν το ηλιακό και τα ηλιακά πάνελ, και μια «πλευρά σκιάς» που στεγάζει όλα τα όργανα και τους καθρέφτες. Το καυτό άκρο της καυτής πλευράς είναι 350º C (662º F), ή αρκετά ζεστό για να λιώσει το μόλυβδο, ενώ η δροσερή πλευρά, στο άλλο άκρο των πέντε στρωμάτων, πρέπει να είναι πιο κρύο από το υγρό άζωτο (77 K). Οι μνημειώδεις προκλήσεις περιελάμβαναν τον τρόπο εξαερισμού της θερμότητας (έξω από τις πλευρές), τον τρόπο εκκένωσης όλου του αέρα κατά τη διάρκεια της εκτόξευσης χωρίς να σκίσετε την ασπίδα, πώς να κάνετε τρύπες που ευθυγραμμίζονται ενώ είναι στοιβασμένες αλλά δεν επικαλύπτονται κατά την ανάπτυξη και πώς να διπλώσετε το φως του ήλιου για την εξάλειψη της πιθανότητας εμπλοκής κατά την ανάπτυξη. Ο τελικώς επιτυχημένος σχεδιασμός ήταν ένα αποκορύφωμα και ένας συνδυασμός σύγχρονων προσομοιώσεων / υπολογισμών, και παλιομοδίτικων τεχνικών μοτίβου / πανιού / φορεμάτων. ήταν ένας μοναδικός συνδυασμός τεχνολογίας αιχμής και καλλιτεχνίας. Στο τέλος, είναι μόνο πέντε στρώσεις πλαστικού με επικάλυψη, αλλά αν λειτουργεί όπως έχει σχεδιαστεί, θα διατηρήσει τη λειτουργία του James Webb πολύ πέρα ​​από τη σχεδιαζόμενη πενταετή διάρκεια ζωής του.

Το σταθερό καλοριφέρ ISIM, που ολοκληρώθηκε μόλις πέρυσι, εκπέμπει θερμότητα μακριά από τη μονάδα οργάνων (ISIM), τα επιστημονικά όργανα και τους ιμάντες θερμότητας. Πιστωτική εικόνα: NASA / Northrop Grumman.

Η συνέλευση. Αυτό πιστεύετε γενικά ως το ίδιο το διαστημικό σκάφος. Το συγκρότημα συγκρατεί ολόκληρο το παρατηρητήριο κατά την εκτόξευση, ελέγχει και δείχνει όλα τα διαφορετικά όργανα, καθρέφτες, κεραίες και πολλά άλλα. Είναι υπεύθυνο για τα δεδομένα που συλλέγονται, λαμβάνονται και διαβιβάζονται. είναι υπεύθυνο για το χειρισμό και την υπόδειξη του διαστημικού σκάφους. Αλλά μια μοναδική πρόκληση που αντιμετωπίζει είναι ότι η τροφοδοσία ηλεκτρικού ρεύματος μέσω του ίδιου του συγκροτήματος και η μετακίνηση διαφόρων τμημάτων του διαστημικού σκάφους παράγει θερμότητα και παράγει θερμότητα στη λάθος πλευρά του ηλιοφάνειας! Το τηλεσκόπιο δείχνει μακριά από τον Ήλιο, οπότε δεν μπορείτε να απορρίψετε την απορριπτόμενη θερμότητα εκεί, ενώ δεν υπάρχει σκιά (και κανένα μέρος για να απορρίψετε τη θερμότητα) στην πλευρά που βλέπει στον Ήλιο. Η λύση περιελάμβανε την ανάπτυξη μιας σειράς αποχρώσεων για την προστασία των κρίσιμων τμημάτων του παρατηρητηρίου - των μερών που πρέπει να διατηρούνται δροσερά - από τα άλλα μέρη του διαστημικού σκάφους. Η εύρεση, ο σχεδιασμός και η εκτέλεση της απόλυτης λύσης ήταν μια από τις μεγαλύτερες συγκινήσεις που μπορεί να βιώσει ένας μηχανικός στην καριέρα τους.

Μια μεγάλη ποικιλία γαλαξιών στο χρώμα, τη μορφολογία, την ηλικία και τους εγγενείς αστρικούς πληθυσμούς μπορεί να δει σε αυτήν την εικόνα σε βάθος πεδίου. Πιστωτική εικόνα: NASA, ESA, R. Windhorst, S. Cohen, M. Mechtley και M. Rutkowski (Arizona State University, Tempe), R. O'Connell (University of Virginia), P. McCarthy (Carnegie Observatories), N. Hathi (Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Riverside), R. Ryan (Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Davis), H. Yan (Πανεπιστήμιο του Οχάιο) και A. Koekemoer (Ινστιτούτο Επιστήμης Διαστημικού Τηλεσκοπίου).

Ναι, η επιστήμη θα είναι απίστευτη. Όπως είπε ο Garth Illingsworth για αυτό το τηλεσκόπιο, «θα μάθουμε περισσότερα σε μια μέρα από το Διαστημικό Τηλεσκόπιο James Webb από ό, τι γνωρίζει σήμερα η ανθρωπότητα» για τους πρώτους γαλαξίες στο Σύμπαν. Ακριβώς όπως το «Hubble Key Project» δεν ήταν ούτε το καλύτερο εύρημα που έκανε το Διαστημικό Τηλεσκόπιο Hubble, ίσως με τις μοναδικές δυνατότητές του, το JWST θα αποκαλύψει ακόμη βαθύτερα μυστικά για το Σύμπαν από αυτό που ξέρουμε να ψάχνουμε. Σε λιγότερο από δύο χρόνια, θα αρχίσουμε να ανακαλύπτουμε. Αλλά χωρίς την ομάδα των μηχανικών που σχεδίασαν, έχτισαν και εκτελούσαν όλα αυτά με εξαιρετική ακρίβεια, δεν θα είχαμε καθόλου. Και μετά τον Οκτώβριο του 2018, ο Jon Arenberg και όλοι όσοι δούλευαν στο James Webb θα έχουν μια νέα εικόνα για κοινή χρήση.

Ένας πύραυλος Ariane 5 στο launchpad, λίγο πριν από την έναρξη του Οκτωβρίου 2014, θα είναι πολύ παρόμοιος με το λανσάρισμα του James Webb τον Οκτώβριο του 2018. Πιστοποίηση εικόνας: ESA / CNES / Arianespace - Optique Video du CSG - P. Piron.

Ένας πύραυλος Ariane 5, που εκτοξεύεται την αυγή, θα μεταφέρει τον James Webb σε ηλιακό φως στον προορισμό του: το σημείο L2 Lagrange, πέρα ​​από τη σκιά τόσο της Γης όσο και της Σελήνης. Για μόνο 32 λεπτά, ο James Webb θα έχει μπαταρία. μετά από αυτό, οι ηλιακές συστοιχίες αναπτύσσονται και θα είναι για πάντα στο άμεσο ηλιακό φως. Η αποστολή του να αποκαλύψει το Σύμπαν θα έχει ξεκινήσει, και κάθε επιστήμονας και μηχανικός που βοήθησε στο σχεδιασμό και την κατασκευή του θα πάρει την εορταστική στιγμή της ζωής του.

Αυτή η ανάρτηση εμφανίστηκε για πρώτη φορά στο Forbes και σας προσφέρεται χωρίς διαφημίσεις από τους υποστηρικτές του Patreon. Σχολιάστε το φόρουμ μας και αγοράστε το πρώτο μας βιβλίο: Beyond The Galaxy!