Kunstniku ettekujutus (2015) sellest, milline näeb välja James Webbi kosmoseteleskoop, kui see on valmis ja edukalt kasutusele võetud. Pildikrediit: Northrop Grumman.

Kulisside tagant vaadatakse, kuidas ehitada kõigi aegade suurim teleskoop

Kuidas valmistati James Webbi kosmoseteleskoop.

„Ühel või teisel viisil pidid esimesed tähed mõjutama meie endi ajalugu, alustades kõige segamisest ja vesiniku ja heeliumi kõrval ka muude keemiliste elementide tootmisest. Nii et kui me tõesti tahame teada, kust meie aatomid tulid ja kuidas väike planeet Maa jõudis elu toetada, peame mõõtma alguses toimunut. ” -John Mather

Niisiis, kas soovite näha kaugemat tagasi Universumisse kui kunagi varem? Et teada saada, kuidas see üles kasvas; esimeste tähtede ja galaktikate mõõtmiseks; vaadata seda uutmoodi ja suurema täpsusega kui kunagi varem? Põhimõtteliselt on see sirgjooneline väljakutse. Ehitage lihtsalt suurem primaarne peegel, et koguda rohkem valgust kui kunagi varem, tundlikum pikema valguse lainepikkuse suhtes kui Hubble, et näha varaseimat valgust, mida laienev universum venitab, ja seeria täiustatud instrumentidega, et maksimeerida valguse poolt kogutud, jahutatud teavet saastumise minimeerimiseks krüogeense temperatuurini. Oh, ja tehke seda kõike kosmoses mõõtkavas, mida te pole kunagi varem teinud. Sinna ei pääse ainult teadus ja teaduslikud instrumendid, vaid tähelepanuväärne insenerilugu sellest, kuidas tundmatut ette näha ja väljakutsele vastu astuda. Sinna pääsemiseks peate asju vaatama teisiti kui seda, kuidas isegi teadlased neid näeksid. Mul oli võimalus istuda koos Northrup Grummoni James Webbi kosmoseteleskoobi peainsener Jon Arenbergiga ja saada tema silmade alt näpunäide selle kohta, kuidas see täpselt töötab.

Columbia kosmosesüstiku STS-93 lansseerimine 1999. aastal. Kujutise autor: NASA.

Vaadake ülaltoodud pilti ja mida te näete? Võib-olla näete kosmosesüstikut. Võib-olla näete kosmosesüstikut Columbia, mis käivitub öösel. Kuid Jonile näeb ta midagi muud: kosmosesüstik, mis startis koos satelliidiga selle pardal. Enne James Webbis töötamise alustamist aitas Jon ehitada Chandra röntgenikiirguse vaatluskeskust, mis on viimase 18 aasta jooksul edukalt töötanud. Üks väljakutse, mille peale kosmoseteleskoobiga te ei mõtle, on see, et see peab mahtuma kanderaketi sisse, mis seab täiendavaid piiranguid pardal olevate toodete valmistamisele, monteerimisele, kaitseümbrise kujundusele ja elektromehaanilisele kujundusele. Igas etapis peate planeerima kõik etapid - paigutatud kujundus, käivitamine, dekompressioon, kasutuselevõtt, kokkupuude ruumi vaakumi ja kogu elu kestvate toimingutega - algusest peale. Ja igal projektil on oma unikaalsed väljakutsed.

Tehnikud ja teadlased kontrollivad NASA Goddardi kosmoselennukeskuses ühte Webbi teleskoobi kahte esimest peeglit puhtas ruumis. Pildikrediit: NASA / Chris Gunn.

James Webbi kosmoseteleskoobi jaoks näib, et iga väljakutse on ainulaadne. Teleskoobi arhitektuur on kosmoselendude jaoks täiesti uus. Jahutamiseks avatud arhitektuur, kus veesõidukid passiivselt jahutatakse ja päikese eest kaitstakse, on uus. Viiekihiline päikesevari on uus ja see pidi olema nullist kujundatud. See on kosmoses esimene mitme segmendiga peegel, mis tähendab, et disain pole mitte ainult ainulaadne, vaid ka kasutuselevõtt nõudis täiesti uut kujundust. Ja teleskoobi töö - lahtikäiv järjestus - on iseenesest imeline insener.

Niisuguse teleskoobi projekteerimine ja ehitamine, mis on rikas uute väljakutsetega, millega inimkond kunagi varem silmitsi pole olnud, on väljakutse lisaks tehnilisele tähendusele. Peate hindama, kui palju aega, raha ja ressursse selle ehitamiseks vajate. Sa ei saa loota asjadele, mis töötavad nii, nagu sa neid esimest korda kavandasid; te ei saa loota, et teie algne töö läbib kõik stressitestid; te ei saa loota sujuvale integreerimisele süsteemiga, mis on veel välja töötatud. Eelarve esmakordsel kujundamisel peate hindama tundmatuid tundmatuid ja peate moodustama meeskonna, kes mitte ainult ei silma paista oma tegevuses, vaid oskab ka tuvastada ja lahendada probleeme, mida nad poleks osanud oodata .

ISIM-mooduli pardal olevad teadusinstrumendid langetati ja paigaldati 2016. aastal JWSTi peakoostu. Kujutise autor: NASA / Chris Gunn.

Lisaks jõuavad kõik komponendid valmidusastmeni erinevatel aegadel. Neli peamist teadusinstrumenti on ehitatud iseseisvalt, Ameerika, Kanada, Euroopa ja teiste rahvusvaheliste partnerite poolt. ISIM-moodul ehitati Goddardis ja see integreerib kõik instrumendid ülejäänud kosmoseaparaatidega. Teaduslik halastus lähi-infrapuna, spektroskoopia, võime osutada paremini kui kunagi varem (parem kui kraad miljon) ja tundlikkuse osas on võrratu. Kuid ka teistel osadel - peeglitel, päikesevarjul ja agregaadil - on palju unikaalseid väljakutseid, mida te poleks kunagi osanud mõelda.

JWST esmase peegli 18. ja viimase segmendi paigaldamine. Mustad katted kaitsevad kullaga kaetud peeglisegmente. Pildikrediit: NASA / Chris Gunn.

Peeglid. Maa peal teleskoobipeegli valmistamisel saate selle valmistada samadel tingimustel kui seda kasutate. Kuid kosmoses, infrapunakiirguse lainepikkustel, peate tootma segmenteeritud struktuuri, mis toimib sileda ühepinnalisena, tolerantsiga 20 nanomeetrit. Selle käivitamiseks peab olema kerge ja see peab olema struktuurilt veatu. Nende peeglite valmistamiseks valmistavad nad toatemperatuuril sileda pinna, kuid kujundavad selle vajalikeks omadusteks vedeliku ja lämmastiku temperatuuridel. Nad valmistavad seda Maa gravitatsiooni tingimustes, kuid nendes mõõtkavades on oluline isegi gravitatsiooni deformatsioon; peeglid töötavad ruumi nullgravitatsiooni keskkonnas. Need loovad eest sileda, poleeritud, kaetud pinna, kuid masseerivad 92% tagaosast, luues 25 ruutmeetri pinna, mille materjal on vaid 6,25 tonni: rohkem kui seitse korda suurem kui Hubble, kuid vaid 55% Hubble'i materjalist mass. Põhiline väljakutse on see, et mõõtmisi saate teha ainult omaenda kontrollitud keskkonnas ja orientatsioonides, kuid kosmoselennu tingimustes töötamiseks peate tootma peeglid. Kui olete teinud esimesed õnnestunud peeglid - need, mis töötingimustes läbivad kõik testid -, keeravad peeglid üles hämmastava regulaarsusega.

Kõigi viie kihi esimene edukas lahtikiire test viidi läbi 2014. aastal ja see andis väärtuslikke õppetunde, mis aitavad tagada JWST-i edukuse käivitamise ja juurutamise ajal. Pildikrediit: Northrop Grumman / Alex Evers.

Päikesevari. Täiesti uudse arhitektuurielemendi väljatöötamine on alati väljakutse. Kuni JWST-ni on kõiki infrapuna kosmoseteleskoope aktiivselt jahutatud: tood sisse jahutusvedeliku ja paned oma teleskoobi krüogeensesse jahutisse. Kuid see teleskoop on selleks liiga suur! Niisiis kavandasid ja ehitasid nad selle asemel rea kihilisi kilpe, et teleskoop püsivalt päikese eest varjestada: JWST-il on päikesepoolne külg, millele päikesepaneel ja päikesepaneelid suunatud on, ja varju külg, kus asuvad kõik instrumendid ja peeglid. Kuuma külje kuum ots on temperatuuril 350 ° C (662 ° F) või piisavalt kuum, et sulatada pliid, samal ajal kui jahe külg peab viie kihi teises otsas olema külmem kui vedelas lämmastikus (77 K). Monumentaalsete väljakutsete hulka kuulus soojuse õhutamine (külgedelt välja), kuidas õhku väljalaske ajal õhku evakueerida ilma kilpi riputamata, kuidas teha auke, mis asetsevad paigutamise ajal, kuid ei kattu kasutamise ajal, ja kuidas kokku voltida päikesevari, et kõrvaldada kinnitusvõimalus kasutuselevõtu ajal. Lõplikult õnnestunud kujundus oli kulminatsioon ja moodsate simulatsioonide / arvutuste ning vanamoodsa mustri / purje / kleidi valmistamise tehnika kombinatsioon; see oli ainulaadne segu tipptasemel tehnoloogiast ja kunstilisusest. Lõpuks on see kõigest viis kihti kaetud plasti, kuid kui see töötab kavandatud viisil, hoiab see James Webbit kauem kui kavandatud viieaastane eluiga.

Fikseeritud ISIM radiaator, mis valmis just eelmisel aastal, kiirgab soojust instrumendimoodulist (ISIM), teadusinstrumentidest ja soojusrihmadest. Pildikrediit: NASA / Northrop Grumman.

Assamblee. See on see, mida te üldiselt arvate kosmoselaeva endana. Kokkupanek hoiab käivitamisel kogu vaatluskeskust, see juhib ja osutab kõigile seadmetele, peeglitele, antennidele ja muule. See vastutab kogutud, vastuvõetud ja edastatud andmete eest; see vastutab kosmoseaparaadi käsitsemise ja suunamise eest. Kuid üks ainulaadne väljakutse on see, et elektri juhtimine läbi sõlme enda ja kosmoselaeva erinevate osade liigutamine tekitab soojust ja päikesepaneeli valel poolel soojust! Teleskoop on suunatud Päikesest eemale, nii et te ei saa sinna oma soojusenergiat suunata, samal ajal kui Päikese poole jääval küljel pole varju (ja pole kohta, kust soojust eraldada). Lahendus hõlmas rea varjundite väljatöötamist, et kaitsta observatooriumi kriitilisi osi - osi, mida tuleb hoida jahedas - kosmoselaeva teiste osade eest. Lõpliku lahenduse edukas leidmine, kujundamine ja teostamine oli üks suurimaid põnevusi, mida insener võib oma karjääris kogeda.

Sellel sügavväljapildil on näha väga erinevaid galaktikaid värvi, morfoloogia, vanuse ja loomupäraste tähepopulatsioonide osas. Pildikrediit: NASA, ESA, R. Windhorst, S. Cohen, M. Mechtley ja M. Rutkowski (Arizona Riiklik Ülikool, Tempe), R. O'Connell (Virginia ülikool), P. McCarthy (Carnegie observatooriumid), N. Hathi (California ülikool, Riverside), R. Ryan (California ülikool, Davis), H. Yan (Ohio Riiklik Ülikool) ja A. Koekemoer (Kosmoseteleskoobi teadusinstituut).

Jah, teadus saab olema uskumatu. Nagu Garth Illingsworth selle teleskoobi kohta ütles, “õpime James Webbi kosmoseteleskoobist ühe päeva jooksul rohkem kui inimkond praegu teab” universumi esimeste galaktikate kohta. Nii nagu “Hubble'i võtmeprojekt” polnud isegi suurim leid, mille Hubble'i kosmoseteleskoop tegi, võib-olla oma ainulaadsete võimalustega, paljastab JWST veelgi sügavamad saladused Universumi kohta, kui see, mida me teame otsida. Vähem kui kahe aasta pärast saame teada. Kuid ilma inseneride meeskonnata, kes seda kõike ülima täpsuse saavutamiseks kavandas, ehitas ja teostas, poleks meil seda üldse. Ja pärast 2018. aasta oktoobrit saavad Jon Arenberg ja kõik, kes töötasid James Webbi kallal, uue pildi, mida jagada.

Ariane 5 rakett stardiplaadil, vahetult enne 2014. aasta oktoobri starti, on äärmiselt sarnane James Webbi käivitumisega oktoobris 2018. Kujutise krediit: ESA / CNES / Arianespace - Optique Video du CSG - P. Piron.

Koidikul startiv rakett Ariane 5 viib James Webb täieliku päikesevalguse käes sihtkohta: L2 Lagrange'i punkti, nii Maa kui Kuu varju. Ainult 32 minutit on James Webb aku all; pärast seda lähevad päikese massiivid ja see on igavesti otsese päikesevalguse käes. Selle missioon universumi paljastamiseks on alanud ning iga teadlane ja insener, kes aitas seda kujundada ja ehitada, saab oma elu tähistava hetke.

See postitus ilmus esmakordselt Forbes ja meie Patreoni toetajad on teile reklaamivabad. Kommenteerige meie foorumit ja ostke meie esimene raamat: Beyond The Galaxy!