Quanto deve essere resistente un telescopio spaziale per sopravvivere sia all'ambiente terrestre che al gelo, ambiente senz'aria dello spazio? Paul Geithner, il vice responsabile del progetto - tecnico per il telescopio spaziale James Webb presso il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland, ha risposto ad alcune domande sulle sfide di progettazione della costruzione del telescopio e sul guanto di sfida dei test che ha subito negli anni precedenti al lancio. Telescopio spaziale James Webb, o Webb, è il prossimo osservatorio spaziale a infrarossi della NASA, che lancerà nel 2019.

D:Che tipo di condizioni devono sopportare Webb e i suoi strumenti?

Paul:L'intero osservatorio deve sopravvivere alle condizioni di sollecitazione meccanica dovute alla violenta vibrazione del lancio. In aggiunta a questo, la metà "fredda" dell'osservatorio - il telescopio e i suoi strumenti - deve sopravvivere al ritiro termico che si verifica quando si raffreddano dalla temperatura ambiente alle temperature criogeniche alle quali operano nel freddo dello spazio.

La sfida ingegneristica è far funzionare Webb a temperature estremamente basse, poiché Webb è costruito a temperatura ambiente. I materiali in genere si restringono a vari tassi di temperatura quando si raffreddano. Dobbiamo costruire il telescopio Webb in modo tale che si riduca esattamente alla forma e alle dimensioni giuste quando fa molto freddo. Webb deve sopravvivere allo stress del restringimento e dell'espansione durante i test a basse temperature e del riscaldamento di nuovo, cose che accadranno quando andrà nello spazio.

Webb deve sopravvivere per anni nello spazio, esposto alle radiazioni del sole e della galassia.

D:Perché il test delle vibrazioni è così importante, e come dimostra che Webb è pronto per i rigori del lancio?

Paul:Il test delle vibrazioni viene eseguito per due motivi. Una ragione è convalidare che Webb è in grado di gestire il rigoroso scuotimento che sperimenterà durante la guida di un razzo nello spazio, e l'altro motivo è verificare la lavorazione della costruzione di Webb e dimostrare che il progetto è stato progettato e assemblato correttamente.

Usiamo due metodi complementari di vibrazione. Per frequenze di vibrazione inferiori, significato da circa 5 hertz (cicli al secondo) a 100 hertz, mettiamo l'hardware su una superficie, fondamentalmente una grande piastra metallica, che scorre su cuscinetti in modo che possa muoversi avanti e indietro, e questa superficie è collegata essenzialmente ad un grosso elettromagnete che genera il moto di scuotimento.

Per frequenze più alte, sopra i 100 hertz, è molto difficile o impossibile ottenere la vibrazione necessaria con un grande sistema di tavola vibrante, quindi invece mettiamo l'hardware in una camera acustica. Questa è una stanza dalle pareti spesse con grandi altoparlanti che producono livelli di suono letteralmente assordanti.

Presi insieme, la tavola vibrante e la camera acustica producono gli ambienti di vibrazione di cui abbiamo bisogno per testare correttamente il Webb. In genere per un articolo unico come Webb, i livelli di vibrazione a cui lo sottoponiamo nei test a terra sono circa il doppio di quello che sopporterà durante la missione. Questo test ci dà la certezza che Webb è stato messo insieme correttamente, sopravviverà al volo vero e proprio, e funzionerà come progettato una volta nello spazio.

D:Perché i test criogenici sono così importanti, e come dimostra che Webb è pronto per lo stress dello spazio?

Paul:I test super freddi o "criogenici" fanno parte della dimostrazione e della verifica che gli strumenti e i componenti di Webb funzionano come dovrebbero e funzioneranno correttamente una volta nel secondo punto di Lagrange della Terra (L2). Il punto L2 è a circa 1 milione di miglia dalla Terra.

Abbiamo messo l'hardware del telescopio Webb in una grande camera a vuoto, chiudi la porta, pompa fuori tutta l'aria, e poi far scorrere azoto liquido e gas elio estremamente freddo attraverso l'impianto idraulico che attraversa la superficie di sottili "gusci" che sono annidati in stile bambola russa all'interno della camera a vuoto.

Le conchiglie sono anche chiamate sartie, e sono molto freddi. Quello esterno si avvicina a 77 Kelvin (circa meno 321 gradi Fahrenheit/meno 196 gradi Celsius, la temperatura dell'azoto liquido). Il guscio interno corre tra 10 e 20 Kelvin (tra meno 442 gradi Fahrenheit/meno 263 gradi Celsius e meno 424 gradi Fahrenheit/meno 253 gradi Celsius, la temperatura del gas elio freddo). Qualsiasi cosa annidata all'interno delle sartie irradierà loro il suo calore latente e diventerà davvero fredda, pure.

L'effetto è simile a quello che accade in una notte limpida, quando il calore del giorno precedente si irradia liberamente nel cielo notturno. al mattino, la temperatura può essere piuttosto fredda. Pensa al deserto, dove i cieli sono in genere asciutti e limpidi. Anche se fa un caldo torrido durante il giorno, diventa gelido di notte perché il calore si irradia dalla superficie.

D:Perché Webb ha bisogno di un "parasole, " e che tipo di protezione fornisce?

Paul:Gli strumenti sono riparati dal sole da un campo da tennis grande, cinque strati, parasole pieghevole. Il parasole è costituito da bracci mobili e membrane sottilissime in poliimmide, essenzialmente fogli di plastica speciale (DuPont Kapton), ciascuno solo circa un millesimo di pollice di spessore e rivestito con alluminio riflettente e silicone protettivo. Fondamentalmente, sembra un cinque strati, gigantesco aquilone d'argento nello spazio.

Abbiamo bisogno di uno schermo solare per mantenere freddi il telescopio e gli strumenti perché Webb è un telescopio a infrarossi, il che significa che vede la luce infrarossa. La luce infrarossa è una luce leggermente più lunga, o più rosso, lunghezze d'onda rispetto alla luce visibile. Non possiamo vederlo con i nostri occhi, ma possiamo sentirlo come calore radiante.

Affinché un telescopio a infrarossi sia il più sensibile possibile, le sue ottiche e gli strumenti scientifici devono essere molto freddi, quindi il loro stesso calore non li acceca ai deboli segnali infrarossi che stanno cercando di osservare dagli oggetti astronomici. Nello spazio e ombreggiato dal sole dal parasole, il telescopio e gli strumenti scientifici affronteranno il freddo estremo dello spazio profondo e diventeranno essi stessi molto freddi.

D:Quali materiali sono stati utilizzati per costruire Webb, e in che modo questi materiali aumentano la resilienza di Webb?

Paul:Abbiamo usato il berillio per molti degli specchi di Webb e alcune delle strutture perché è allo stesso tempo leggero, rigido, forte, e dimensionalmente stabile (smette di restringersi ed espandersi) alla temperatura di esercizio del telescopio. Il berillio cambia molto le dimensioni con la temperatura, ma praticamente smette di restringersi una volta che scende al di sotto di una temperatura di 100 Kelvin (circa meno 280 gradi Fahrenheit o meno 173 gradi Celsius).

Abbiamo usato molti altri materiali sul Webb, compreso l'alluminio per alcune cose, acciaio inossidabile per elementi di fissaggio, titanio per strutture e fissaggi, invar (una lega) per nodi strutturali, e molti altri metalli. Abbiamo anche materiali non metallici come i compositi grafite-epossidica per la maggior parte delle strutture e la ceramica al carburo di silicio per uno degli strumenti scientifici (lo spettrografo nel vicino infrarosso - NIRSpec).

D:L'orbita di Webb al secondo punto di Lagrange della Terra (L2) è oltre la guaina protettiva del campo magnetico terrestre, il che significa che il telescopio è più suscettibile alla radiazione solare e ai brillamenti solari. In che modo Webb è isolato da queste minacce?

Paul:Il campo magnetico terrestre agisce come uno scudo deflettore per i protoni e gli elettroni che eruttano continuamente dal sole. La protezione per i satelliti all'interno del campo magnetico terrestre include l'inserimento di alcuni pannelli in metallo, come l'alluminio, tra l'elettronica e l'ambiente spaziale, implementare una buona messa a terra elettrica, e rendere i componenti elettronici resistenti alle radiazioni. Poiché Webb è al di fuori del campo magnetico terrestre, sarà bombardato da particelle cariche che fluiranno dal sole, e quindi ha bisogno di una protezione extra. Queste particelle cariche sono dure per l'elettronica, e possono accumularsi sulle superfici per accumulare cariche statiche che possono causare scariche dannose.

Webb sarà anche vulnerabile all'occasionale "rutto" massiccio del sole che si verifica con i brillamenti solari e le espulsioni di massa coronale, che sono fenomeni in cui il sole rilascia protoni ed elettroni in poche ore. Per consentire a Webb di resistere a un tempo solare così tempestoso e alle normali "belle giornate, " quasi tutta la sua elettronica è schermata all'interno di scatole metalliche e dietro più strati di metallo o pellicola rivestita di metallo.

L'elettronica sul lato freddo del parasole di Webb ha il vantaggio di trovarsi dietro i cinque strati dello scudo, che sono rivestiti in alluminio. L'elettronica all'interno del bus spaziale, che si affaccia al sole, sono induriti, schermato, e messo a terra. Webb ha utilizzato pratiche di progettazione comprovate e codici di costruzione satellitari per garantire che sopravviva e funzioni nell'asprezza dell'ambiente L2.

D:Webb non è stato progettato per essere sottoposto a manutenzione, ma potrebbe eventualmente essere riparato o rifornito di carburante durante una missione di servizio robotico?

Paul:Concepibilmente, potrebbe essere possibile una manutenzione robotica di Webb. Un robot potrebbe afferrare Webb nello stesso punto in cui era attaccato al veicolo di lancio Ariane, che è l'anello di interfaccia del lanciatore sul bus del veicolo spaziale rivolto verso il sole, e quindi aggiungere carburante al suo serbatoio di propulsione. Dato che Webb è un osservatorio a infrarossi squisitamente sensibile, e gran parte di esso è a temperature criogeniche, le opportunità ei vantaggi della manutenzione sono limitati.

Il James Webb Space Telescope è il principale osservatorio spaziale a infrarossi del mondo del prossimo decennio. Una missione infranta per ingegneri e astronomi, Webb risolverà i misteri del nostro sistema solare, guarda oltre a mondi lontani intorno ad altre stelle, e sondare le misteriose strutture e origini del nostro universo e il nostro posto in esso. Webb è un programma internazionale guidato dalla NASA con i suoi partner, l'Agenzia spaziale europea (ESA), e l'Agenzia spaziale canadese (CSA).