Hoe veerkrachtig moet een ruimtetelescoop zijn om zowel de aardse omgeving als de ijskoude, luchtloze omgeving van de ruimte? Paul Geithner, de plaatsvervangend projectmanager - technisch voor James Webb Space Telescope bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, beantwoordde enkele vragen over de ontwerpuitdagingen van het bouwen van de telescoop en de reeks tests die hij in de jaren voorafgaand aan de lancering heeft doorstaan. James Webb-ruimtetelescoop, of Webb, is NASA's opkomende infrarood-ruimtewaarnemingscentrum, die in 2019 van start gaat.

V:Wat voor soort omstandigheden moeten Webb en zijn instrumenten weerstaan?

Paul:Het hele observatorium moet de mechanisch belastende omstandigheden van de gewelddadige vibratie van de lancering overleven. Naast dit, de 'koude' helft van het observatorium - de telescoop en zijn instrumenten - moet de thermische krimp overleven die optreedt wanneer ze afkoelen van kamertemperatuur tot de cryogene temperaturen waarbij ze in de kou van de ruimte werken.

De technische uitdaging is om Webb te laten werken bij extreem lage temperaturen, aangezien Webb bij kamertemperatuur is gebouwd. Materialen krimpen doorgaans bij verschillende temperatuursnelheden als ze koud worden. We moeten de Webb-telescoop zo bouwen dat hij precies in de juiste vorm en afmetingen krimpt als het extreem koud is. Webb moet de stress van krimpen en uitzetten tijdens koude temperatuurtests overleven en het weer opwarmen - dingen die zullen gebeuren als het de ruimte in gaat.

Webb moet jaren in de ruimte overleven, blootgesteld aan de straling van de zon en de melkweg.

V:Waarom is het testen van trillingen zo belangrijk, en hoe laat het zien dat Webb klaar is voor de ontberingen van de lancering?

Paul:Trillingstests worden om twee redenen gedaan. Een reden is om te valideren dat Webb het rigoureuze schudden aankan dat het zal ervaren tijdens het rijden met een raket de ruimte in, en de andere reden is om het vakmanschap van Webb's constructie te verifiëren en te bewijzen dat het ontwerp correct is ontworpen en gemonteerd.

We gebruiken twee complementaire trillingsmethoden. Voor lagere trillingsfrequenties, wat betekent van ongeveer 5 hertz (cycli per seconde) tot 100 hertz, we plaatsen de hardware op een oppervlak - in feite een grote metalen plaat - die op lagers rijdt zodat deze heen en weer kan bewegen, en dit oppervlak is in wezen verbonden met een grote elektromagneet die de schudbeweging genereert.

Voor hogere frequenties, boven 100 hertz, het is zeer moeilijk of onmogelijk om de nodige vibratie te bereiken met een groot vibratietafelsysteem, dus in plaats daarvan plaatsen we de hardware in een akoestische kamer. Dit is een dikwandige ruimte met grote speakers die letterlijk oorverdovende geluidsniveaus produceren.

Bij elkaar genomen, de triltafel en akoestische kamer produceren de trillingsomgevingen die we nodig hebben om de Webb goed te testen. Typisch voor een uniek artikel als Webb, de trillingsniveaus waaraan we het onderwerpen bij het testen op de grond is ongeveer het dubbele van wat het tijdens de missie zal doorstaan. Deze test geeft ons het vertrouwen dat Webb correct is samengesteld, zal de eigenlijke vlucht overleven, en zal werken zoals ontworpen eenmaal in de ruimte.

V:Waarom is cryogeen testen zo belangrijk, en hoe laat het zien dat Webb klaar is voor de stress van de ruimte?

Paul:Superkoude of "cryogene" tests maken deel uit van het aantonen en verifiëren dat de instrumenten en componenten van Webb werken zoals ze zouden moeten en naar behoren zullen werken zodra op het tweede Lagrange-punt van de aarde (L2). Het L2-punt ligt ongeveer 1 miljoen mijl van de aarde.

We hebben de hardware van de Webb-telescoop in een grote vacuümkamer gestopt, sluit de deur, pomp alle lucht eruit, en laat vervolgens vloeibare stikstof en extreem koud heliumgas door leidingen lopen die kriskras door het oppervlak van dunne "schelpen" lopen die in Russische poppenstijl in de vacuümkamer zijn genesteld.

De schelpen worden ook wel lijkwaden genoemd, en ze zijn erg koud. De buitenste benadert 77 Kelvin (ongeveer min 321 graden Fahrenheit/min 196 graden Celsius - de temperatuur van de vloeibare stikstof). De binnenschaal loopt tussen 10 en 20 Kelvin (tussen min 442 graden Fahrenheit/min 263 graden Celsius en min 424 graden Fahrenheit/min 253 graden Celsius - de temperatuur van het koude heliumgas). Alles wat zich in de lijkwaden genesteld zal zijn latente warmte naar hen uitstralen en echt koud worden, te.

Het effect is vergelijkbaar met wat er gebeurt op een heldere nacht, wanneer de warmte van de vorige dag vrijelijk de nachtelijke hemel in straalt. Tegen de ochtend, de temperatuur kan behoorlijk koud zijn. Denk aan de woestijn, waar de lucht meestal droog en helder is. Ook al is het overdag bloedheet, het wordt 's nachts ijskoud omdat de warmte van het oppervlak wegstraalt.

V:Waarom heeft Webb een "zonnekap, " en wat voor soort bescherming biedt het?

Paul:De instrumenten worden afgeschermd van de zon door een tennisbaan ter grootte van een vijf lagen, uitklapbaar zonnescherm. Het zonnescherm bestaat uit inzetbare gieken en ragfijne polyimidemembranen, hoofdzakelijk platen van speciaal plastic (DuPont Kapton), elk slechts ongeveer een duizendste van een inch dik en gecoat met reflecterend aluminium en beschermend silicium. In principe, het ziet eruit als een vijflaags, gigantische zilveren vlieger in de ruimte.

We hebben een zonnekap nodig om de telescoop en instrumenten koud te houden omdat Webb een infraroodtelescoop is, wat betekent dat het infrarood licht ziet. Infrarood licht is licht dat iets langer is, of roder, golflengten dan zichtbaar licht. We kunnen het niet met onze ogen zien, maar we kunnen het voelen als stralingswarmte.

Om een ​​infraroodtelescoop zo gevoelig mogelijk te maken, zijn optica en wetenschappelijke instrumenten moeten erg koud zijn, dus hun eigen warmte verblindt hen niet voor de zwakke infraroodsignalen die ze van astronomische objecten proberen te observeren. In de ruimte en in de schaduw van de zon door het zonnescherm, de telescoop en wetenschappelijke instrumenten zullen de extreme kou van de diepe ruimte het hoofd bieden en zullen zelf erg koud worden.

Vraag:Welke materialen werden gebruikt om Webb te bouwen, en hoe vergroten deze materialen de veerkracht van Webb?

Paul:We hebben beryllium gebruikt voor veel van Webb's spiegels en sommige structuren omdat het tegelijkertijd licht van gewicht is, stijf, sterk, en vormvast (stopt met krimpen en uitzetten) bij de bedrijfstemperatuur van de telescoop. Beryllium verandert de afmetingen veel met de temperatuur, maar het krimpt vrijwel niet meer zodra het onder een temperatuur van 100 Kelvin (ongeveer min 280 graden Fahrenheit of min 173 graden Celsius) komt.

We hebben veel andere materialen op de Webb gebruikt, inclusief aluminium voor sommige dingen, roestvrij staal voor bevestigingsmiddelen, titanium voor constructies en bevestigingsmiddelen, invar (een legering) voor structurele knopen, en vele andere metalen. We hebben ook niet-metalen zoals grafiet-epoxycomposieten voor de meeste structuren en siliciumcarbidekeramiek voor een van de wetenschappelijke instrumenten (de nabij-infraroodspectrograaf - NIRSpec).

Vraag:De baan van Webb op het tweede Lagrange-punt van de aarde (L2) ligt buiten de beschermende omhulling van het magnetische veld van de aarde, wat betekent dat de telescoop gevoeliger is voor zonnestraling en zonnevlammen. Hoe is Webb geïsoleerd van deze bedreigingen?

Paul:Het magnetisch veld van de aarde werkt als een afbuigschild voor protonen en elektronen die de hele tijd uit de zon spuwen. Bescherming voor satellieten binnen het magnetische veld van de aarde omvat het plaatsen van enkele metaalachtige aluminium panelen tussen elektronica en de ruimteomgeving, het implementeren van een goede elektrische aarding, en elektronische componenten bestand maken tegen straling. Omdat Webb zich buiten het aardmagnetisch veld bevindt, het zal worden gebombardeerd door geladen deeltjes die van de zon komen, en heeft dus extra bescherming nodig. Deze geladen deeltjes zijn hard voor elektronica, en ze kunnen zich ophopen op oppervlakken om statische lading op te bouwen die schadelijke ontladingen kan veroorzaken.

Webb zal ook kwetsbaar zijn voor de occasionele enorme "boeren" van de zon die gebeurt met zonnevlammen en coronale massa-ejecties, dat zijn fenomenen waarbij de zon in slechts enkele uren slakken van misschien een paar jaar aan protonen en elektronen afgeeft. Om Webb in staat te stellen dergelijk stormachtig zonneweer te doorstaan, evenals gewone "mooie dagen, " bijna al zijn elektronica is afgeschermd in metalen dozen en achter meerdere lagen metaal of met metaal gecoate film.

De elektronica aan de koude kant van Webb's zonnescherm heeft enig voordeel dat ze zich achter de vijf lagen van het schild bevinden, die zijn gecoat in aluminium. De elektronica in de ruimtevaartuigbus, die naar de zon is gericht, zijn verhard, afgeschermd, en geaard. Webb gebruikte beproefde ontwerppraktijken en satellietbouwcodes om ervoor te zorgen dat het zal overleven en functioneren in de barre omstandigheden van de L2-omgeving.

V:Webb is niet ontworpen om te worden onderhouden, maar kan het uiteindelijk worden gerepareerd of bijgetankt tijdens een robotservicemissie?

Paulus:Het is denkbaar, wat robotonderhoud van Webb zou mogelijk kunnen zijn. Een robot kan Webb vastgrijpen op dezelfde plaats waar hij aan het Ariane-lanceervoertuig was bevestigd, dat is de launcher-interfacering op de naar de zon gerichte ruimtevaartuigbus, en voeg vervolgens brandstof toe aan de voortstuwingstank. Aangezien Webb een buitengewoon gevoelig infraroodobservatorium is, en veel ervan is bij cryogene temperaturen, mogelijkheden en voordelen van service zijn beperkt.

De James Webb Space Telescope is 's werelds belangrijkste infrarood-ruimteobservatorium van het volgende decennium. Een barrière-doorbrekende missie voor ingenieurs en astronomen, Webb zal mysteries van ons zonnestelsel oplossen, verder kijken naar verre werelden rond andere sterren, en onderzoek de mysterieuze structuren en oorsprong van ons universum en onze plaats daarin. Webb is een internationaal programma onder leiding van NASA met haar partners, het Europees Ruimteagentschap (ESA), en de Canadian Space Agency (CSA).