Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) jest urządzeniem obserwującym Wszechświat w podczerwieni. Wiąże się to z niezwykłym wyzwaniem inżynierskim, jakim jest utrzymanie aparatury pomiarowej w bardzo niskich temperaturach. Jest to wymagane z dwóch powodów.

Dlaczego teleskop Webba musi być schłodzony do bardzo niskiej temperatury?

Po pierwsze, „ciepłe” elementy teleskopu same emitują promieniowanie podczerwone, co tworzy niepotrzebny szum w pomiarach. Ponadto same detektory podczerwieni przekształcające promieniowanie podczerwone w sygnały elektryczne wymagają do poprawnej pracy bardzo niskich temperatur. Aby utrzymać tak niskie temperatury całej aparatury pomiarowej niezbędna jest osłona, która zasłoni je przed Słońcem.

Aby osłona była skuteczna, musi zasłonić przed Słońcem całą aparaturę. A co za tym idzie, musi mieć dużą powierzchnię. Pomimo wyniesienia teleskopu przez rakietę Ariane 5, która ma pokaźną przestrzeń ładunkową, niezbędne było złożenie jak origami wielu elementów teleskopu. Dotyczy to jego lustra i właśnie osłony termicznej.

W poprzednich misjach teleskopów prowadzących obserwację w podczerwieni, takich jak Spitzer (ze zwierciadłem o średnicy 0,85 m) czy Herschel (3,5 m), stosowano sztywne osłony przeciwsłoneczne. Takie rozwiązanie ograniczało maksymalny rozmiar teleskopu. Gdyby JWST ze swoim ogromnym zwierciadłem (6,5 m) miał sztywną osłonę termiczną, po prostu nie mógłby być wyniesiony na orbitę, bo nie dysponujemy odpowiednio dużą rakietą.

Teleskop Webba ma elastyczną i bardzo cienką osłonę termiczną

Osłona termiczna teleskopu Webba jest elastyczna. Składa się z pięciu warstw folii kaptonowej o grubości porównywalnej z grubością ludzkiego włosa (od 0,05 mm do 0,025 mm). Powierzchnia każdej warstwy jest porównywalna z kortem tenisowym. Folia jest pokryta bardzo cienką warstwą aluminium (0,0001 mm) w celu zwiększenia współczynnika odbicia oraz zapobieżenia gromadzenia się ładunków elektrycznych na powierzchni folii.

Mechanizm rozkładania osłony przeciwsłonecznej JWST jest najbardziej skomplikowanym mechanizmem tego typu, jaki kiedykolwiek został użyty w kosmosie. Składa się z ok. 140 mechanizmów zwalniających, 70 zawiasów, 8 silników odpowiedzialnych za rozłożenie całości, około 400 rolek prowadzących 90 cięgien. Dla porównania, w większości satelitów znajduje się zaledwie kilka mechanizmów zwalniających.

Aby osłona rozłożyła się poprawnie, wszystkie te elementy muszą bezbłędnie zadziałać w ściśle określonej kolejności. Pierwszym wyzwaniem, z jakim musi sobie poradzić mechanizm rozkładający, jest ekstremalnie niska temperatura, w jakiej znajduje.

Aby ją podnieść do bardziej „pokojowych” zakresów stosuje się równocześnie dwa rozwiązania. Obraca się teleskop tak, aby słońce mogło ogrzać złożony mechanizm. Wykorzystuje się też rozmieszczone w newralgicznych miejscach grzałki do podgrzania najbardziej wrażliwych elementów, np. silników elektrycznych. Grzałki zasilane są prądem elektrycznym wytworzonym przez rozłożony wcześniej panel słoneczny.

Osłona termiczna teleskopu Webba będzie rozkładana etapami

W pierwszej kolejności rozłożona zostanie przednia i tylna paleta z osłoną (UPS – Unitized Pallet Structure). Następnie rozłożona zostanie wieżyczka z częścią optyczną teleskopu. Oddali się ona o ok. 2 m od struktury głównej, robiąc miejsce na rozłożenie osłony przeciwsłonecznej. Następnym krokiem jest rozłożenie płyty AMF (Aft Momentum Flap). Jej zadaniem jest przeciwdziałanie obracaniu się teleskopu, spowodowanemu przez ciśnienie wiatru słonecznego działające na osłonę słoneczną.

Kolejnym krokiem jest rozłożenie samej osłony przeciwsłonecznej. Proces odbywa się w kilku etapach. Pierwszym jest uwolnienie pokrowców, które chroniły osłonę podczas poprzednich etapów misji.

Drugim krokiem jest wysunięcie – z pomocą silników elektrycznych – centralnego wysięgnika po lewej stronie satelity. Po tej operacji silnik elektryczny z pomocą cięgien rozwinie całkowicie osłonę przeciwsłoneczną po tej stronie satelity. Następnie operacje te są powtarzane po drugiej, prawej stronie teleskopu.

Ostatnią operacją jest rozdzielenie poszczególnych warstw osłony od siebie. Odbywa się to warstwa po warstwie, z wykorzystaniem kolejnych mechanizmów zwalniających. Operacja ta trwa około dwóch dni. Każda warstwa osłony musi zostać precyzyjnie ustawiona i napięta, zanim proces zostanie powtórzony dla kolejnej.

Aby cała opisana operacja się powiodła, wszystkie opisane mechanizmy muszą zadziałać zgodnie z projektem. I choć poszczególne elementy tego mechanizmu były wielokrotnie wykorzystywane w misjach kosmicznych, to nigdy wcześniej nie próbowano użyć równie skomplikowanej kombinacji w praktyce.

Teleskop Webba zacznie rozkładać swoje zwierciadło po 3 stycznia

Po 10 dniach od startu będzie można zacząć proces rozkładania poszczególnych elementów samego teleskopu. Pierwszym krokiem jest rozłożenie struktury wspierającej zwierciadło wtórne teleskopu. Jest to najbardziej krytyczny element teleskopu, gdyż w przypadku jego niezadziałania cała warta 10 mld dolarów misja zakończy się niepowodzeniem.

W przypadku uszkodzenia bądź niezadziałania innych elementów teleskopu obserwacje, choć w ograniczonym zakresie, mogą być prowadzone. Natomiast bez zwierciadła wtórnego niestety nie ma takiej możliwości. Na szczęście mechanizm ten, oparty na trzech wspornikach, jest znacznie prostszy niż osłona przeciwsłoneczna. Po rozłożeniu struktury wspierającej możliwa jest precyzyjna regulacja zwierciadła wtórnego.

11. dnia podróży teleskopu przez kosmos rozłożony zostanie radiator odpowiedzialny za chłodzenie aparatury badawczo-pomiarowej, znajdującej się za zwierciadłem głównym teleskopu. Dzień później nastąpi rozłożenie obu skrzydeł głównego zwierciadła teleskopu.

W tym celu wykorzystane zostaną ponownie silniki elektryczne, które pozwolą rozłożyć zwierciadło główne teleskopu w kontrolowany sposób. Po zablokowaniu elementów zwierciadła głównego w docelowej pozycji teleskop będzie już w pełni rozłożony.

Ostatni etap – ustawianie zwierciadeł i schładzanie teleskopu Webba

Jak widać, proces przygotowania teleskopu Webba do działania jest niezwykle złożony i przypomina rozkładanie origami. Jednak nie jest to jeszcze koniec przygotowań teleskopu do działania.

Czas, jaki został teleskopowi do osiągnięcia docelowego punktu L2 (ok. 1,5 mln km od Ziemi), zostanie wykorzystany na ustawienie poszczególnych zwierciadeł względem siebie. Chodzi o to, aby na detektorze tworzony był jeden, spójny obraz. Proces ten odbywa się bardzo powoli z wykorzystaniem mikrosiłowników (po 6 na każdy segment zwierciadła), pozwalających na ruch poszczególnych segmentów zwierciadła z dokładnością do jednego nanometra (0,000001 mm).

Ponadto przez cały ten czas teleskop powoli będzie się schładzał do temperatury operacyjnej (37 stopni Kelvina, czyli minus 236 stopni Celsjusza). Gdy ją osiągnie uruchomione zostaną chłodnice kriogeniczne które obniżą temperaturę niektórych detektorów jeszcze bardziej (do ok. 7 K, czyli minus 266 st. C).