Uma visão dos bastidores da construção do maior telescópio de todos
Concepção de um artista (2015) de como será o Telescópio Espacial James Webb quando estiver completo e implantado com sucesso. Crédito da imagem: Northrop Grumman.
Como o Telescópio Espacial James Webb foi feito.
De uma forma ou de outra, as primeiras estrelas devem ter influenciado nossa própria história, começando por agitar tudo e produzir os outros elementos químicos além do hidrogênio e do hélio. Então, se realmente queremos saber de onde vieram nossos átomos e como o pequeno planeta Terra se tornou capaz de sustentar a vida, precisamos medir o que aconteceu no início. – John Mather
Então, você quer ver mais longe no Universo do que nunca? Para descobrir como cresceu; medir as primeiras estrelas e galáxias; para vê-lo de uma nova maneira e com maior precisão do que nunca? Em princípio, é um desafio simples. Basta construir um espelho primário maior para coletar mais luz do que nunca, sensível a comprimentos de onda de luz mais longos do que o Hubble para ver a primeira luz esticada pelo Universo em expansão, com uma série de instrumentos avançados para maximizar as informações coletadas da luz, resfriadas a temperaturas criogênicas para minimizar a contaminação. Ah, e faça tudo no espaço, em uma escala que você nunca fez antes. Não é apenas a ciência e os instrumentos científicos que o levarão até lá, mas uma notável história de engenharia de como antecipar o desconhecido e enfrentar o desafio. Para chegar lá, você tem que ver as coisas de forma diferente de como até mesmo um cientista as veria. Eu tive a chance de sentar com Jon Arenberg , o Engenheiro-Chefe do Telescópio Espacial James Webb da Northrup Grummon, e obter uma dica de exatamente como isso funciona através de seus olhos.
O lançamento do STS-93, o ônibus espacial Columbia, em 1999. Crédito da imagem: NASA.
Dê uma olhada na imagem acima, e o que você vê? Talvez você veja o ônibus espacial. Talvez você veja o ônibus espacial Columbia, lançando à noite. Mas para Jon, ele vê outra coisa: o ônibus espacial sendo lançado com seu satélite a bordo. Antes de começar a trabalhar em James Webb, Jon ajudou a construir o Observatório de Raios-X Chandra, que vem operando com sucesso nos últimos 18 anos. Um dos desafios em que você não pensa em um telescópio espacial é que ele precisa caber dentro do veículo de lançamento, o que impõe restrições adicionais à fabricação, montagem, design do gabinete e design eletromecânico de tudo a bordo. Você precisa planejar cada estágio - projeto de armazenamento, lançamento, descompressão, implantação, exposição ao vácuo do espaço e uma vida útil de operações - desde o início. E cada projeto tem seus próprios desafios únicos.
Técnicos e cientistas verificam um dos dois primeiros espelhos de voo do telescópio Webb na sala limpa do Goddard Space Flight Center da NASA. Crédito da imagem: NASA / Chris Gunn.
Para o Telescópio Espacial James Webb, parece que cada desafio é único. A arquitetura do telescópio é totalmente nova para os voos espaciais. A arquitetura aberta para resfriamento, onde a nave é resfriada passivamente e protegida do sol, é nova. O pára-sol de cinco camadas é novo e teve que ser projetado do zero. Este é o primeiro espelho multissegmentado no espaço, o que significa que não apenas o design é único, mas a implantação também exigiu um design totalmente novo. E a operação do telescópio – a sequência de desdobramento – é em si uma maravilha da engenharia.
Projetar e construir um telescópio como este, repleto de novos desafios nunca antes enfrentados pela humanidade, é um desafio além do sentido de engenharia. Você precisa estimar quanto tempo, dinheiro e recursos serão necessários para construí-lo. Você não pode contar com as coisas funcionando do jeito que você as projetou na primeira vez; você não pode contar com seu trabalho inicial passando em todos os testes de estresse; você não pode contar com uma integração suave com um sistema que ainda não foi projetado. Você precisa estimar as incógnitas desconhecidas quando está projetando seu orçamento pela primeira vez e precisa construir uma equipe que não apenas se destaque no que faz, mas que se destaque na identificação e solução de problemas que eles não poderiam prever que existiriam.
Os instrumentos científicos a bordo do módulo ISIM sendo baixados e instalados na montagem principal do JWST em 2016. Crédito da imagem: NASA/Chris Gunn.
Além disso, todos os diferentes componentes atingem seu estágio de conclusão em momentos diferentes. Os quatro principais instrumentos científicos foram todos construídos de forma independente, por parceiros americanos, canadenses, europeus e outros internacionais. O módulo ISIM foi construído em Goddard e integra todos os instrumentos com o resto da espaçonave. A recompensa científica no infravermelho próximo, na espectroscopia, na capacidade de apontar melhor do que nunca (mais de um milionésimo de grau) e na sensibilidade será incomparável. Mas os outros componentes - os espelhos, o pára-sol e a montagem - também têm uma série de desafios únicos, que você pode nunca ter pensado em enfrentar.
A instalação do 18º e último segmento do espelho primário do JWST. As tampas pretas protegem os segmentos dos espelhos dourados. Crédito da imagem: NASA/Chris Gunn.
Os espelhos . Quando você fabrica um espelho de telescópio na Terra, pode fazê-lo nas mesmas condições em que o usará. Mas no espaço, em comprimentos de onda infravermelhos, você precisa fabricar uma estrutura segmentada que aja como uma superfície lisa e única com uma tolerância de 20 nanômetros. Ele precisa ser leve para o lançamento e precisa ser estruturalmente sólido. Para fazer esses espelhos, eles fabricam uma superfície lisa à temperatura ambiente, mas a projetam para ter as propriedades necessárias em temperaturas abaixo do nitrogênio líquido. Eles a fabricam sob a gravidade da Terra, mas nessas escalas, até a deformação da gravidade importa; os espelhos operarão no ambiente de gravidade zero do espaço. Eles criam a superfície lisa, polida e revestida na frente, mas usinam 92% da parte de trás, criando uma superfície de 25 metros quadrados com apenas 6,25 toneladas métricas de material: mais de sete vezes maior que o Hubble, mas apenas 55% do Hubble massa. O desafio fundamental é que você só pode fazer medições em seus próprios ambientes e orientações controladas, mas precisa fabricar os espelhos para operar em condições de voo espacial. Depois de fazer os primeiros espelhos bem-sucedidos - aqueles que passam em todos os testes sob condições operacionais - os espelhos acabaram saindo com uma regularidade surpreendente.
O primeiro teste de desdobramento bem-sucedido de todas as cinco camadas foi realizado em 2014 e forneceu lições valiosas que ajudam a garantir o sucesso do JWST durante o lançamento e a implantação. Crédito da imagem: Northrop Grumman/Alex Evers.
O pára-sol . É sempre um desafio desenvolver um elemento arquitetônico completamente novo. Até o JWST, todos os telescópios espaciais infravermelhos eram resfriados ativamente: você traz um pouco de refrigerante e coloca seu telescópio em um refrigerador criogênico. Mas este telescópio é grande demais para isso! Então, eles projetaram e construíram uma série de escudos em camadas para proteger permanentemente o telescópio do Sol: o JWST terá um lado do sol que o pára-sol e os painéis solares enfrentam e um lado de sombra que abriga todos os instrumentos e espelhos. A extremidade quente do lado quente é de 350º C (662º F), ou quente o suficiente para derreter chumbo, enquanto o lado frio, na outra extremidade das cinco camadas, precisa ser mais frio que o nitrogênio líquido (77 K). Desafios monumentais incluíam como ventilar o calor (para fora dos lados), como evacuar todo o ar durante o lançamento sem rasgar o escudo, como fazer furos que se alinham enquanto estão guardados, mas não se sobrepõem enquanto são implantados e como dobrar o pára-sol para eliminar a possibilidade de um obstáculo durante a implantação. O projeto de sucesso final foi uma culminação e uma combinação de simulações/cálculos modernos e técnicas antiquadas de modelagem/vela/confecção de vestidos; era uma mistura única de tecnologia de ponta e arte. No final, são apenas cinco camadas de plástico revestido, mas se funcionar como projetado, manterá James Webb operando muito além de sua vida útil projetada de cinco anos.
O radiador ISIM fixo, concluído no ano passado, irradia calor para longe do módulo de instrumento (ISIM), dos instrumentos científicos e das tiras de calor. Crédito da imagem: NASA/Northrop Grumman.
A montagem . Isso é o que você geralmente pensa como a própria espaçonave. A montagem sustenta todo o observatório no lançamento, controla e aponta todos os diferentes instrumentos, espelhos, antenas e muito mais. É responsável pelos dados recolhidos, recebidos e transmitidos; é responsável por manusear e apontar a espaçonave. Mas um desafio único que ele enfrenta é que a eletricidade passando pelo próprio conjunto e movendo várias partes da espaçonave gera calor, e gera calor no lado errado do protetor solar! O telescópio está apontando para longe do Sol, então você não pode despejar seu calor residual lá, enquanto não há sombra (e nenhum lugar para despejar calor) no lado voltado para o Sol. A solução envolveu o desenvolvimento de uma série de sombras para proteger as partes críticas do observatório – as partes que devem ser mantidas frias – das outras partes da espaçonave. Encontrar, projetar e executar com sucesso a solução definitiva foi uma das maiores emoções que um engenheiro pode experimentar em suas carreiras.
Uma grande variedade de galáxias em cor, morfologia, idade e populações estelares inerentes podem ser vistas nesta imagem de campo profundo. Crédito da imagem: NASA, ESA, R. Windhorst, S. Cohen, M. Mechtley e M. Rutkowski (Universidade Estadual do Arizona, Tempe), R. O'Connell (Universidade da Virgínia), P. McCarthy (Observatórios Carnegie), N. Hathi (Universidade da Califórnia, Riverside), R. Ryan (Universidade da Califórnia, Davis), H. Yan (Universidade Estadual de Ohio) e A. Koekemoer (Instituto de Ciências do Telescópio Espacial).
Sim, a ciência será incrível. Como Garth Illingsworth disse sobre este telescópio, vamos aprender mais em um dia com o Telescópio Espacial James Webb do que a humanidade sabe atualmente sobre as primeiras galáxias do Universo. Assim como o Hubble Key Project não foi a maior descoberta que o Telescópio Espacial Hubble fez, talvez com suas capacidades únicas, o JWST revelará segredos ainda mais profundos sobre o Universo do que sabemos procurar. Em menos de dois anos, começaremos a descobrir. Mas sem a equipe de engenheiros que projetou, construiu e executou tudo isso com precisão requintada, não teríamos nada disso. E depois de outubro de 2018, Jon Arenberg e todos que trabalharam em James Webb terão uma nova foto para compartilhar.
Um foguete Ariane 5 na plataforma de lançamento, pouco antes de um lançamento em outubro de 2014, será extremamente semelhante ao lançamento de James Webb em outubro de 2018. Crédito da imagem: ESA/CNES/Arianespace — Optique Video du CSG — P. Piron.
Um foguete Ariane 5, lançado ao amanhecer, levará James Webb em plena luz do sol ao seu destino: o ponto L2 Lagrange, além da sombra da Terra e da Lua. Por apenas 32 minutos, James Webb estará sob a energia da bateria; depois disso, os painéis solares são implantados e estarão para sempre sob a luz solar direta. Sua missão de revelar o Universo terá começado, e cada cientista e engenheiro que ajudou a projetá-lo e construí-lo terá seu momento comemorativo de uma vida.
Esta postagem apareceu pela primeira vez na Forbes , e é oferecido a você sem anúncios por nossos apoiadores do Patreon . Comente em nosso fórum , & compre nosso primeiro livro: Além da Galáxia !
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