En el enlace que dejo a continuación se puede apreciar una animación (de 1,30 minutos de duración) que incluye el desarrollo de la secuencia del Despliegue del escudo térmico .
El día 28/12/2021 en horas de la tarde, se desplegó la paleta delantera que contiene el parasol que protegerá los instrumentos del telescopio de la luz y el calor de fondo del Sol, la Tierra y la Luna. Este parasol está contenido plegado como un origami en un par de estructuras llamadas "Forward and Aft Unitized Pallets Structures" (Estructuras de Paletas Unitarias Delanteras y de Popa). Dicho parasol fabricado por Northrop Grumman se compone de 5 capas del polimero kampton de Dupont y no es totalmente liso, sino que tiene unas pequeñísimas perforaciones para que en su plegado en tierra no haya deformaciones producidas por burbujas de aire. El kampton es estable a temperaturas muy bajas (-269° a 400° Celsius) y esta recubierto con una capa muy fina de aluminio (aproximadamente unos 100 nanómetros). Las dos capas más exteriores que están orientadas hacia el Sol están recubiertas además del aluminio, por silicio que le dan ese color purpura-magenta. El silicio "dopado" con otros elementos, le ayuda a conducir la electricidad para que no haya acumulación de carga estática en las capas. El dopaje del silicio se hace procediendo a que sus átomos sean lo más puros posibles (es decir estables) y después se le agrega un elemento en una cantidad ínfima (por ejemplo fósforo) para aumentar su conductibilidad. El recubrimiento de silicio transformado con impurezas es aún más delgado que el de aluminio, siendo de solo unos 50 nanómetros. La diferencia obtenida por este sistema pasivo de refrigeración es enorme, del lado caliente se podría casi hervir agua (unos 85° Celsius), mientras que del lado frio casi se podría congelar nitrógeno (-233° Celsius). El complicado sistema de despliegue fue probado exitosamente en las instalaciones de Redondo Beach, California de Northrop Grumman el 20/12/2020. Es fundamental para mantener los innovadores instrumentos del telescopio a bajas temperaturas. Es tal la sensibilidad de estos, que en teoría, nos dice John Mather (científico principal del proyecto de la misión y Premio Nobel de Física 2006) "podría detectar desde la Tierra el calor de una abeja en la Luna". Las pruebas en superficie solo se realizaron por única vez, dado que poseen unos riesgos adicionales por la presencia de la gravedad. El kapton es un material que se degrada con el tiempo, habiendo sido utilizado en el Skylab Apollo Telescope Mount, en el cual, se había degradado después de 40 años. En el caso del escudo térmico del JWST, en unas pruebas realizadas en el año 2018, se produjeron una serie de desgarros accidentales. Es por este motivo que habiendo sido correcto el despliegue del año 2020, se optó por no incluir nuevas pruebas. Los mecanismos involucrados constan de 139 actuadores, 8 motores y miles de otros componentes, poleas, cuerdas, que logran tensar la forma final del parasol de 21,197 (69,5 pies) x 14,625 metros (46,5 pies). Posteriormente se desplegó el pallet de popa que además contiene la llamada "aleta de impulso" o "aleta estabilizadora" AMF (Aft Momentun Flap) desplegada un poco después, el 30/12/2021 a las 14:00 horas UTC. Si bien, para el despliegue de las plumas contenedoras solo se requieren unos 20 minutos, lleva unas cuatro horas el envió de comandos al hardware hacer las delicadas operaciones.
Un parasol del tamaño de una cancha de tenis protege el telescopio Webb de fuentes externas de luz y calor para poder detectar débiles señales de calor de objetos muy distantes. CRÉDITO: NASA y C. Godfrey (STScI).Modificado por el autor.
Tanto el telescopio espacial James Webb, como sus antecesores que "ven" en el infrarrojo (IRAF, ISO, WIZE o Spitzer) necesitan estar refrigerados. El Webb es el primero de los telescopios de este tipo que utilizará refrigeración pasiva. Generalmente los telescopios espaciales infrarrojos utilizaron hasta este momento helio líquido, salvo el WIZE que utilizaba hidrógeno líquido. Pero en todos estos casos, el gas licuado, termina por agotarse, dando por finalizada la vida útil de las misiones. En el caso del Webb, solo se utilizará refrigeración activa en uno de sus instrumentos, el MIRI.
Una vista del escudo desplegado en el año 2014, en las instalaciones de Northrop Grumman, que da una idea del tamaño del mismo, poco menos que una cancha de tenis (solo 1.80 m menos). Chris Gunn - NASA Goddard Space Flight Center
Este diagrama muestra como el escudo solar permite que la óptica permanezca en la sombra para ángulos de inclinación de -5° a +45° y ángulos de balanceo de -5° a +5°. (NASA)
Foto Northrop Grumman y debajo cortesía de NASA donde se puede apreciar las costuras de las membranas. Con la experiencia adquirida de desgarros en las pruebas de 2018, para unir las áreas donde las capas se funden se ha utilizado un proceso especial de curado adhesivo infrarrojo llamado enlace de puntos térmicos (TSP) (Thermal Spot Bond). Además, las tiras de refuerzo de material de membrana son también unidas mediante este proceso al cuerpo principal de la membrana aproximadamente cada 1,80 metros, formando un patrón de cuadrículas destinados a evitar la expansión de una eventual rasgadura, provocada por ejemplo por un meteorito. El sistema de soldadura por radiación UV, no sería posible en el caso de las dos capas más orientadas al sol, por su recubrimiento de silicio ya que este sistema requiere sustratos transparentes, siendo el silicio un sustrato visiblemente opaco, donde si pueden penetrar con facilidad las longitudes de onda infrarroja.
El diseño del escudo térmico en forma de cometa esta pensado para enviar el calor hacia los lados y lejos del telescopio El parasol no solamente esta proyectado para lograr evacuar hacia el espacio la radiación recibida, sino también para expulsar entre las membranas el calor irradiado por el núcleo de la nave espacial, donde hay algunos componentes que deben operar a ciertas temperaturas y donde otros a su vez generan radiaciones importantes. La forma también se demuestra funcional para el plegamiento y posterior desplegamiento.
Imagen: STScI
El DTA. Cortesía: Northrop Grumman
Test exitoso de extensión de la torre DTA
El 29/12/2021 se desplegó la torre DTA (Deployable Telescope Tower Assembly) que elevan a 1.22 m el OTE y el ISIM. Esta diseñado, construido y probado en vacío ambiental y térmico por Astro Aerospace, una compañía de Northrop Grumman. El mismo se fabricó mayormente en grafito epoxi para poder soportar las condiciones extremas del ambiente. Aunque poco publicitado, no es un elemento componente menor del telescopio, todo lo contrario, es una pieza crítica para la operación y el soporte de la estructura del observatorio. Ante todo, permitió en la operación de estiva dentro de la cofia del Ariane, que la óptica y los instrumentos encajaran en el carenado con un centro de gravedad aceptable para el lanzamiento y reduciendo la altura de Webb a 11 metros. Luego, en su configuración elevada, aleja los espejos e instrumentos lejos del calor del cuerpo principal de la nave y junto con el soporte de los espejos tiene que asegurarle una gran estabilidad al telescopio, que debe administrar ajustes excepcionalmente minúsculos y a su vez con precisión absoluta. Cuenta con dos tubos telescópicos separados por un tornillo de plomo y cuando se encuentra totalmente desplegado tiene una longitud de 9,6 pies (unos 2,9 de metros). Lo que equivale a casi el doble de su altura de almacenamiento, de 5,6 pies (1,7 metros). Cuenta con dos tubos telescópicos anidados e incluye algunas bandejas de arnés desplegables para el cableado plegado en "Z" y la línea de refrigeradores criogénicos en forma de muelle helicoidal.
El día 30 se efectúa el retiro de las cubiertas que protegían las delicadas 5 capas del parasol y el 31 se hace el despliegue de las plumas laterales (primero la de babor y luego la de estribor). Los conjuntos de la pluma media se adhieren a los lados del bus de la nave espacial y se extienden en longitud para desplegar el parasol. Cada uno de estos conjuntos cuenta con seis tubos compuestos telescópicos de grafito epoxi, cada uno anidado dentro del otro, con la tira de acero precurvada templada, o Storable Tubular Extendible Member (STEM), en el interior que se enrolla en un carrete motorizado en el extremo de la raíz. A medida que el STEM se desenrolla de su carrete motorizado, se enrosca sobre sí mismo para formar un tubo rígido que empuja los tubos compuestos anidados hasta que los cinco tubos móviles están completamente extendidos y bloqueados. A medida que las plumas medias se extienden, sacan las menbranas del parasol. Una vez que los tubos llegan a su extensión máxima, se retrae el STEM que se enrolla en un cable a través de poleas en las puntas de la pluma que separan y tensan adecuadamente cada membrana del parasol. El Webb posee 178 dispositivos (actuadores no explosivos) para su despliegue, en estas dos jornadas han sido usados 107 de ellos exitosamente. Posteriormente se procedió a la separación y tensión de las capas. La tensión demora dos días ya que es necesario el envío desde tierra de numerosos comandos para activar algunos motores que enrollarán un total de 90 cables a través de numerosas poleas y dispositivos de gestión de cables.
El 3/01/2022, se comienza con el proceso del tensado de las 5 capas del parasol. Se comienza, con la primera capa, que es la más grande y cercana al Sol. Como ya señalamos las dimensiones del parasol son de 70 pies de largo por 47 pies de ancho ( 21,34 x 14.33 metros). Esta primera capa de kapton aluminizada y con una capa de silicio al igual que la segunda, los que le da el color magenta, tiene un espesor de 0.05 mm, mientras que las cuatro restantes son de solo la mitad de este espesor. Mientras que la primera capa es la más plana y extensa, las otras van disminuyendo en tamaño y aumentando en curvatura, por lo cual la quinta es la más pequeña y más curvada. No es de utilidad que las capas estén paralelas, deben estar curvadas en el ángulo y separación correcta para que la radiación absorbida en una es reflejada en la siguiente y gracias al ángulo expulsada al vacío. Este sistema diseñado por Ray García y Helene Schember se conoce como "escudo de ranura" en forma de V múltiple. Diseñado por 1990 se utilizó para mantener el espectrómetro de rayos gamma y neutrones emitidos (GRS), a muy baja temperatura en el Mars Observer lanzado el 25/09/1992, lamentablemente el 21/0/1993 se perdió la comunicación con la nave, apenas tres días antes de su inserción en la órbita marciana. El sistema pasivo que portaba su instrumento había sido fabricado por Lockheed Martin. A pesar de que el kapton se encuentra disponible desde finales de los 60s, los primeros escudos pasivos se hicieron de tereftalato de polietileno o de aluminio. La primera que se utilizó este tipo de sistema de refrigeración pasivo en un telescopio espacial fue en el Plank, ubicado precisamente en L2 para observar el cosmos en el espectro de las microondas. El mismo poseía un escudo de 3 capas. El parasol cumple la tarea de ser un sistema de refrigeración pasivo con claras ventajas sobre uno basado en helio o hidrógeno, por lo que justifica las dificultades de su implementación. es la primera vez que se utiliza un sistema pasivo en un telescopio espacial infrarrojo. En el décimo día de vuelo del Webb el 4/01/2022 se han tensado finalmente las cinco capas del parasol. Mientras esto sucedía también se desarrollaban otras actividades como desbloquear la cubierta de control de contaminación del instrumento MIRI. La misma se volverá a cerrar en los próximos días después de comprobar que todo funciona normalmente, para reabrirse recién cuando el MIRI este en condiciones de operar a 7° kelvin.
Con las cinco capas del escudo solar completamente desplegadas y tensionadas, se ha superado el 75% de los 344 puntos de falla posibles.
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