¿Qué tan resistente debe ser un telescopio espacial para sobrevivir tanto al medio ambiente de la Tierra como al gélido, entorno sin aire del espacio? Paul Geithner, el subdirector del proyecto, técnico del Telescopio Espacial James Webb en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, respondió algunas preguntas sobre los desafíos de diseño de la construcción del telescopio y el desafío de las pruebas que ha soportado en los años previos al lanzamiento. Telescopio espacial James Webb, o Webb, es el próximo observatorio espacial infrarrojo de la NASA, que se lanzará en 2019.

P:¿Qué tipo de condiciones deben soportar Webb y sus instrumentos?

Paul:Todo el observatorio debe sobrevivir a las condiciones mecánicamente estresantes de la violenta vibración del lanzamiento. Además de esto, la mitad "fría" del observatorio —el telescopio y sus instrumentos— debe sobrevivir a la contracción térmica que ocurre cuando se enfrían desde la temperatura ambiente a las temperaturas criogénicas a las que operan en el frío del espacio.

El desafío de la ingeniería es operar Webb a temperaturas extremadamente frías, ya que Webb se construye a temperatura ambiente. Los materiales suelen encogerse a distintas temperaturas a medida que se enfrían. Tenemos que construir el telescopio Webb de manera que se encoja exactamente a la forma y dimensiones correctas cuando hace mucho frío. Webb tiene que sobrevivir al estrés de encogerse y expandirse durante las pruebas de temperatura fría y volver a calentarlo, cosas que sucederán cuando vaya al espacio.

Webb tiene que sobrevivir años en el espacio, expuestos a la radiación del sol y la galaxia.

P:¿Por qué son tan importantes las pruebas de vibración? y ¿cómo muestra que Webb está listo para los rigores del lanzamiento?

Paul:La prueba de vibración se realiza por dos razones. Una razón es validar que Webb puede manejar el riguroso temblor que experimentará mientras conduce un cohete hacia el espacio. y la otra razón es verificar la mano de obra de la construcción de Webb y demostrar que el diseño fue diseñado y ensamblado correctamente.

Usamos dos métodos complementarios de vibración. Para frecuencias de vibración más bajas, es decir, de aproximadamente 5 hercios (ciclos por segundo) a 100 hercios, colocamos el hardware en una superficie, básicamente una gran placa de metal, que se monta sobre cojinetes para que pueda moverse hacia adelante y hacia atrás, y esta superficie está conectada esencialmente a un gran electroimán que genera el movimiento de agitación.

Para frecuencias más altas, por encima de 100 hercios, es muy difícil o imposible lograr la vibración necesaria con un gran sistema de mesa vibratoria, así que en su lugar colocamos el hardware en una cámara acústica. Esta es una habitación de paredes gruesas con grandes altavoces que producen niveles de sonido literalmente ensordecedores.

Tomados en conjunto, la mesa de vibración y la cámara acústica producen los entornos de vibración que necesitamos para probar adecuadamente el Webb. Normalmente, para un artículo único como Webb, los niveles de vibración a los que lo sometemos en las pruebas en el suelo son aproximadamente el doble de lo que aguantará durante la misión. Esta prueba nos da la confianza de que Webb se ha elaborado correctamente, sobrevivirá al vuelo real, y funcionará como se diseñó una vez en el espacio.

P:¿Por qué son tan importantes las pruebas criogénicas? y ¿cómo muestra que Webb está preparado para el estrés del espacio?

Paul:Las pruebas súper frías o "criogénicas" son parte de la demostración y verificación de que los instrumentos y componentes de Webb funcionan como deberían y funcionarán correctamente una vez en el segundo punto Lagrange de la Tierra (L2). El punto L2 está a aproximadamente 1 millón de millas de la Tierra.

Colocamos el hardware del telescopio Webb en una gran cámara de vacío, Cierre la puerta, bombear todo el aire, y luego hacer correr nitrógeno líquido y gas helio extremadamente frío a través de tuberías que entrecruzan la superficie de finas "conchas" que están anidadas al estilo de una muñeca rusa dentro de la cámara de vacío.

Las conchas también se llaman mortajas, y están muy fríos. El exterior se acerca a 77 Kelvin (aproximadamente menos 321 grados Fahrenheit / menos 196 grados Celsius, la temperatura del nitrógeno líquido). La capa interna corre entre 10 y 20 Kelvin (entre menos 442 grados Fahrenheit / menos 263 grados Celsius y menos 424 grados Fahrenheit / menos 253 grados Celsius, la temperatura del gas helio frío). Cualquier cosa que se encuentre dentro de los obenques irradiará su calor latente hacia ellos y se enfriará mucho. también.

El efecto es similar a lo que ocurre en una noche clara, cuando el calor del día anterior irradia libremente hacia el cielo nocturno. Por la mañana, la temperatura puede ser bastante fría. Piensa en el desierto donde los cielos son típicamente secos y despejados. Aunque hace un calor abrasador durante el día, se vuelve gélido por la noche porque el calor se irradia desde la superficie.

P:¿Por qué Webb necesita un "parasol, "y ¿qué tipo de protección ofrece?

Paul:Los instrumentos están protegidos del sol por una cancha de tenis, cinco capas, parasol desplegable. El parasol consta de brazos desplegables y membranas de gasa de poliimida, esencialmente láminas de plástico especial (DuPont Kapton), cada uno de solo una milésima de pulgada de grosor y recubierto con aluminio reflectante y silicona protectora. Básicamente, parece un cinco capas, cometa plateada gigante en el espacio.

Necesitamos un parasol para mantener fríos el telescopio y los instrumentos porque Webb es un telescopio infrarrojo, lo que significa que ve luz infrarroja. La luz infrarroja es una luz ligeramente más larga, o más rojo, longitudes de onda que la luz visible. No podemos verlo con nuestros ojos pero podemos sentirlo como un calor radiante.

Para que un telescopio infrarrojo sea lo más sensible posible, su óptica e instrumentos científicos deben estar muy fríos, para que su propio calor no los ciegue a las débiles señales infrarrojas que están tratando de observar de los objetos astronómicos. En el espacio y a la sombra del sol por el parasol, el telescopio y los instrumentos científicos se enfrentarán al frío extremo del espacio profundo y ellos mismos se enfriarán mucho.

P:¿Qué materiales se utilizaron para construir Webb, y ¿cómo estos materiales aumentan la capacidad de recuperación de Webb?

Paul:Usamos berilio para muchos de los espejos de Webb y algunas de las estructuras porque es a la vez liviano, rígido, fuerte, y dimensionalmente estable (deja de encogerse y expandirse) a la temperatura de funcionamiento del telescopio. El berilio cambia mucho de dimensión con la temperatura, pero prácticamente deja de encogerse una vez que desciende por debajo de una temperatura de 100 Kelvin (aproximadamente menos 280 grados Fahrenheit o menos 173 grados Celsius).

Usamos muchos otros materiales en Webb, incluido el aluminio para algunas cosas, acero inoxidable para sujetadores, titanio para estructuras y sujetadores, invar (una aleación) para nodos estructurales, y muchos otros metales. También contamos con compuestos no metálicos como grafito-epoxi para la mayoría de las estructuras y cerámica de carburo de silicio para uno de los instrumentos científicos (el espectrógrafo de infrarrojo cercano, NIRSpec).

P:La órbita de Webb en el segundo punto de Lagrange de la Tierra (L2) está más allá de la vaina protectora del campo magnético de la Tierra, lo que significa que el telescopio es más susceptible a la radiación solar y a las erupciones solares. ¿Cómo se aísla Webb de estas amenazas?

Paul:El campo magnético de la Tierra actúa como un escudo deflector para los protones y electrones que salen todo el tiempo del sol. La protección de los satélites dentro del campo magnético de la Tierra incluye colocar algo de metal, como paneles de aluminio, entre la electrónica y el entorno espacial. implementar una buena conexión a tierra eléctrica, y hacer que los componentes electrónicos sean resistentes a la radiación. Debido a que Webb está fuera del campo magnético de la Tierra, será bombardeado por partículas cargadas que fluyen desde el sol, y por eso necesita protección adicional. Estas partículas cargadas son dañinas para la electrónica, y pueden acumularse en las superficies para acumular una carga estática que puede causar descargas dañinas.

Webb también será vulnerable al ocasional "eructo" masivo del sol que ocurre con las erupciones solares y las eyecciones de masa coronal. que son fenómenos en los que el sol libera babosas de protones y electrones por valor de unos pocos años en solo unas horas. Para permitirle a Webb capear un clima solar tormentoso, así como los "días agradables, "Casi todos sus componentes electrónicos están protegidos dentro de cajas de metal y detrás de múltiples capas de metal o película recubierta de metal.

La electrónica en el lado frío del parasol de Webb se beneficia de estar detrás de las cinco capas del escudo, que están revestidos de aluminio. La electrónica dentro del autobús de la nave espacial, que mira al sol, están endurecidos, blindado y aterrizado. Webb utilizó prácticas de diseño probadas y verdaderas y códigos de construcción de satélites para garantizar que sobrevivirá y funcionará en la dureza del entorno L2.

P:Webb no fue diseñado para ser reparado, pero, ¿podría eventualmente ser reparado o reabastecido durante una misión de servicio robótico?

Paul:Posiblemente, algunos servicios robóticos de Webb podrían ser posibles. Un robot podría agarrar a Webb en el mismo lugar donde estaba conectado al vehículo de lanzamiento Ariane, que es el anillo de interfaz del lanzador en el bus de la nave espacial orientada hacia el sol, y luego agregue combustible a su tanque de propulsión. Dado que Webb es un observatorio infrarrojo exquisitamente sensible, y gran parte se encuentra a temperaturas criogénicas, las oportunidades y los beneficios del mantenimiento son limitados.

El telescopio espacial James Webb es el principal observatorio espacial infrarrojo del mundo de la próxima década. Una misión que rompe barreras para ingenieros y astrónomos, Webb resolverá los misterios de nuestro sistema solar, mira más allá a mundos distantes alrededor de otras estrellas, y sondear las misteriosas estructuras y orígenes de nuestro universo y nuestro lugar en él. Webb es un programa internacional dirigido por la NASA con sus socios, la Agencia Espacial Europea (ESA), y la Agencia Espacial Canadiense (CSA).