science >> Wetenschap >  >> Astronomie

Hoe NASA's Spitzer zo lang in leven is gebleven

Het concept van deze kunstenaar toont NASA's Spitzer Space Telescope voor een infraroodbeeld van het Melkwegstelsel. Krediet:NASA/JPL-Caltech

Na bijna 16 jaar de kosmos te hebben verkend in infrarood licht, NASA's Spitzer-ruimtetelescoop wordt op 30 januari permanent uitgeschakeld 2020. Tegen die tijd het ruimtevaartuig zal meer dan 11 jaar hebben gefunctioneerd na zijn eerste missie, dankzij het vermogen van het technische team van Spitzer om unieke uitdagingen aan te gaan naarmate de telescoop verder en verder van de aarde glijdt.

Beheerd en geëxploiteerd door NASA's Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, Californië, Spitzer is een klein maar transformationeel observatorium. Het vangt infrarood licht op, die vaak wordt uitgestraald door "warme" objecten die niet heet genoeg zijn om zichtbaar licht uit te stralen. Spitzer heeft de sluier opgelicht over verborgen objecten in bijna elke hoek van het universum, van een nieuwe ring rond Saturnus tot waarnemingen van enkele van de meest verre sterrenstelsels die we kennen. Het heeft sterren bespioneerd in elke levensfase, bracht ons thuisstelsel in kaart, maakte prachtige beelden van nevels en onderzocht nieuw ontdekte planeten in een baan om verre sterren.

Maar als plaatsvervangend missiemanager van Spitzer, Joseph Hunt, zei, "Je kunt een ruimtevaartuig van wereldklasse hebben, maar het betekent niets als je de gegevens niet thuis kunt krijgen."

Spitzer draait om de zon op een pad dat vergelijkbaar is met dat van de aarde, maar beweegt iets langzamer. Tegenwoordig loopt het ongeveer 158 miljoen mijl (254 miljoen kilometer) achter onze planeet - meer dan 600 keer de afstand tussen de aarde en de maan. die afstand, samen met de curve van Spitzer's baan, betekent dat wanneer het ruimtevaartuig zijn vaste antenne op de aarde richt om gegevens te downloaden of opdrachten te ontvangen, zijn zonnepanelen kantelen weg van de zon. Tijdens die periodes, het ruimtevaartuig moet vertrouwen op een combinatie van zonne-energie en batterijvermogen om te werken.

De hoek waaronder de panelen van de zon af wijzen, is elk jaar groter geworden dat de missie heeft gewerkt. Tegenwoordig, communiceren met de aarde, Spitzer moet zijn panelen in een hoek van 53 graden van de zon plaatsen (90 graden zou volledig weg zijn gericht), ook al hadden de missieplanners nooit de bedoeling dat het meer dan 30 graden van de zon zou kantelen. Spitzer kan ongeveer 2,5 uur met de aarde communiceren voordat hij zijn zonnepanelen terug naar de zon moet draaien om zijn batterijen op te laden. Dat communicatievenster zou jaar na jaar korter worden als Spitzer zou blijven werken, wat betekent dat er een limiet is aan hoe lang het mogelijk zou zijn om het ruimtevaartuig efficiënt te laten werken.

Een blijvende inspanning

Het ruimtevaartuig leren nieuwe omstandigheden te accepteren - zoals de toenemende hoek van de zonnepanelen tijdens communicatie met de aarde - is niet zo eenvoudig als een schakelaar omdraaien. Er zijn meerdere manieren waarop deze veranderingen veiligheidsmechanismen in de vluchtsoftware van het ruimtevaartuig kunnen activeren. Bijvoorbeeld, als de panelen tijdens de eerste jaren van de missie meer dan 30 graden van de zon waren gekanteld, de software zou op "pauze, " het ruimtevaartuig in "veilige modus" zetten totdat het missieteam kon achterhalen wat er mis was. De veranderende hoek van Spitzer naar de zon kan ook veiligheidsmechanismen activeren die bedoeld zijn om te voorkomen dat ruimtevaartuigonderdelen oververhit raken.

Het betreden van de veilige modus kan bijzonder gevaarlijk zijn voor het ruimtevaartuig, zowel vanwege de toenemende afstand tot de aarde (wat communicatie moeilijker maakt) en omdat de verouderde systemen aan boord mogelijk niet opnieuw opstarten zodra ze zijn uitgeschakeld.

Om met deze uitdagingen om te gaan, de projectingenieurs en wetenschappers van JPL en Caltech hebben samengewerkt met het observatorium-engineeringteam van Lockheed Martin Space's Littleton, Colorado, mogelijkheid om een ​​weg vooruit te vinden. (Lockheed Martin bouwde het Spitzer-ruimtevaartuig voor NASA.) Bolinda Kahr, De missiemanager van Spitzer, leidt dit multicenterteam. In de loop der jaren hebben zij en haar collega's met succes ontdekt hoe veiligheidsmechanismen die zijn ontworpen voor de belangrijkste missie kunnen worden opgeheven, terwijl ze er ook voor zorgen dat dergelijke wijzigingen geen andere ongewenste bijwerkingen veroorzaken.

Maar naarmate Spitzer ouder wordt en verder van de aarde komt, de uitdaging om het ruimtevaartuig in bedrijf te houden en het risico dat het een grote anomalie zal ondergaan, worden alleen maar groter.

"Ik kan oprecht zeggen dat niemand die betrokken was bij de missieplanning dacht dat we in 2019 zouden lopen, " zei Lisa Storrie-Lombardi, Spitzer's projectmanager. "Maar we hebben een ongelooflijk robuust ruimtevaartuig en een ongelooflijk team. En we hebben geluk gehad. Je moet wat geluk hebben, omdat je niet alles kunt anticiperen."

Cool blijven

Most infrared detectors have to be cooled to very low temperatures, because excess infrared light from "warm" objects—including the Sun, Aarde, the spacecraft and even the instruments themselves—can overwhelm the infrared sensors. This cooling is typically done with a chemical coolant.

The Spitzer planners instead came up with a passive-cooling system that included flying the spacecraft far from Earth (a major infrared heat source). They also chose materials for the spacecraft exterior that would both reflect sunlight away before it could heat the telescope and radiate absorbed heat back into space. In this configuration, coolant is required only to lower the instrument temperatures a few degrees further. Reducing the onboard coolant supply also drastically allowed the engineers to cut the total size of the spacecraft by more than 80% and helped curtail the anticipated mission budget by more than 75%.

Although Spitzer's coolant supply ran out in 2009, rendering two of its three instruments unusable, the team was able to keep half of the remaining instrument operating. (The instrument was designed to detect four wavelengths of infrared light; in the "warm" mode, it can still detect two of them.)

Lasting more than twice as long as the primary mission, Spitzer's extended mission has yielded some of the observatory's most transformational results. in 2017, the telescope revealed the presence of seven rocky planets around the TRAPPIST-1 star. Vaak, Spitzer's exoplanet observations were combined with observations by other missions, including NASA's Kepler and Hubble space telescopes.

Spitzer's final year and a half of science operations include a number of exoplanet-related investigations. One program will investigate 15 dwarf stars (similar to the TRAPPIST-1 star) likely to host exoplanets. An additional 650 hours are dedicated to follow-up observations of planets discovered by NASA's Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS), which launched just over a year ago.

Final Voyage

Every mission must end at some point. As the challenges associated with operating Spitzer continue to grow and as the risk of a mission-ending anomaly on the spacecraft rises, NASA has made the decision to close out the mission in a controlled manner.

"There have been times when the Spitzer mission could have ended in a way we didn't plan for, " said Kahr. "I'm glad that in January we'll be able to retire the spacecraft deliberately, the way we want to do it."

While Spitzer's mission is ending, it has helped set the stage for NASA's James Webb Space Telescope, set to launch in 2021, which will study the universe in many of the same wavelengths observed by Spitzer. Webb's primary mirror is about 7.5 times larger than Spitzer's mirror, meaning Webb will be able to study many of the same targets in much higher resolution and objects much farther away from Earth than what Spitzer can observe.

Thirteen science programs have already been selected for Webb's first five months of operations, four of which build directly on Spitzer observations. Webb will greatly expand on the legacy begun by Spitzer and answer questions that Spitzer has only begun to investigate.