El Webb despliega su espejo primario. (6)

-Siguiendo la ruta del Telescopio Espacial James Webb-

    "Si he visto más allá, es parándome sobre los hombros de gigantes". Isaac Newton  

Cortesia: Northrop Grumman

En otro hito de la ingeniería, se había desplegado el origami del parasol del Webb. El mismo, protegerá los 18 espejos que componen el espejo primario de 6,5 metros, por lo cual, tiene más de seis veces más área de recolección que el telescopio Hubble. También protegerá los instrumentos, principalmente a los que trabajan con el espectro del infrarrojo cercano y medio, los cuales cubren más de 15 veces el área que la cámara infrarroja cercana NICMOS del Hubble. 

Finalizando una parte muy importante de la misión, completando la etapa final de todos los principales despliegues críticos, también ha resultado exitoso el despliegue del espejo primario masivo del James Webb.

"La NASA logró otro hito de ingeniería...  Si bien el viaje no se ha completado, me uno al equipo de Webb para respirar un poco más tranquilo e imaginar los futuros avances para inspirar al mundo". "El Telescopio Espacial James Webb es una misión sin precedentes que está al borde del precipicio de ver la luz de las primeras galaxias y descubrir los misterios de nuestro universo. Cada hazaña ya lograda y cada logro futuro es un testimonio de los miles de innovadores que vertieron la pasión de su vida en esta misión" dijo: Bill Nelson (administrador de la NASA) en un comunicado el 8/01/2022, después de la hora 1:17 pm EST, luego que la segunda ala lateral del espejo primario estuviera extendida y enganchada en su posición final.

El espejo primario de telescopio espacial Hubble (HST) tiene un diámetro 2,4 metros (7,9 pies), el del JWST llega a 6,5 metros (21,3 pies). Los científicos habían concluido que un telescopio de este tamaño estaría acorde a las necesidades de observación planificadas. Esto representó un desafío sin precedentes para los ingenieros encargados de diseñarlo. En primer lugar, su tamaño traducido a su fabricación por la tecnología utilizada en el Hubble, hacía imposible por su masa, su lanzamiento por los vectores actuales. En segundo lugar, estaba el reto de como acomodarlo dentro de la cofia de un cohete. En el caso de la cofia del cohete Ariane 5, ésta tiene un diámetro de 5,4 metros, siendo su diámetro interno utilizable de 4,57 metros, un poco inferior a la capacidad de la bodega del transbordador (18,3 x 4,6 metros)¹). Un minuciosos trabajo de desarrollo tecnológico y la utilización de nuevos materiales, así como el plegamiento de sus componentes como si se tratase de un origami fueron los factores que lograron superar ese desafío. Se aprovecharon también de la experiencia previa con otros telescopios espaciales, para minimizar los posibles inconvenientes sobrevinientes, ya que mientras el Hubble desde un principio estuvo concebido como un telescopio espacial que podría ser visitado por el transbordador espacial, el James Webb será inaccesible para su mantenimiento y/o reparación. El área de recolección del espejo primario del HST es de 4,525 m², mientras que la del JWST es de 25 m². El telescopio Hubble es básicamente un cilindro de 13.2 metros de altura y 4,5 metros de diámetro, al que se le agregan los paneles solares adosados a ambos lados.

En 1675, Isaac Newton escribió una carta a Robert Hooke. En ella, se encontraba contenido uno de sus comentarios más famosos: "Si he visto más allá, es parándome sobre los hombros de gigantes". Lo mismo es cierto para el Telescopio Espacial Webb en relación con su compañero de observación, el Telescopio Espacial Hubble. Desde su inicio de operaciones en 1990, y principalmente después de la corrección de su imperfección en la óptica en 1994, el Hubble ha efectuado innumerables aportes al conocimiento de nuestro cosmos. Mejorado incluso luego con nuevos instrumentos.

Diagrama entre ambos telescopios fuera de escala. Tanto el Hubble (arriba) como el Webb (abajo) son telescopios reflectores. La luz de objetos distantes entra en el telescopio, reflejándose en el gran espejo primario enviándolo al espejo secundario más pequeño. El espejo secundario refleja esa luz a través de un agujero en el espejo primario donde se enfoca y entra en cada uno de los muchos instrumentos del telescopio ubicados detrás del espejo primario. 

Créditos: NASA-GSFC, STScI

Diagrama comparativo del tamaño de los telescopios y sus espejos primarios

Crédito: STScl.

En términos de capacidad de recolección de luz, el componente más importante de un telescopio es su espejo primario. Cuanto más grande es el espejo, más luz puede recoger y más pequeños, más tenues y más distantes es lo que puede detectar. El espejo de Webb tiene un área más de 5 veces mayor que el del Hubble y 45 veces mayor que el del Spitzer.   

Hay que resaltar que un espejo grande es aún más importante para los telescopios infrarrojos. Para hacer posible la colocación de un espejo tan grande en el carenado superior de un cohete portador, se optó por fragmentarlo en 18 segmentos hexagonales de 1.32 m de diámetro de plano a plano. Cada uno de ellos se fabricó con el costoso berilio, pero que tiene la ventaja de ser resistente y por sobre todas las cosas liviano, lo que significo en que cada segmento pesara solamente unas 46 libras, unos 20 kilos. La forma hexagonal permite un espejo segmentado aproximadamente circular y este innovador diseño se prevé que será utilizado por otros telescopios ópticos en el futuro. La simetría es tan excelente que solo es necesario que haya tres prescripciones ópticas para los 18 segmentos, 6 de cada una.

Los diferentes colores denotan cada una de las tres prescripciones ópticas diferentes para el espejo.

El hexágono vacío del centro es donde está colocado el AOS con los espejos terciario y de dirección fino que reciben la luz reflejada por el espejo secundario, una vez que este las recibe a su vez del primario compuesto, y que están destinados a minimizar las aberraciones ópticas y a enviar la luz a los sensores de los instrumentos científicos respectivamente.

NASA

Cada espejo hexagonal individual tiene una designación que concuerda con la prescripción óptica a que pertenece, compuesto por la letra de dicha prescripción y un número del 1 al 6.  

Luego de dos semanas de complejos despliegues, comienzan otras dos semanas donde se moverán y alinearan los 18 segmentos del espejo primario y el espejo secundario para constituir un sistema óptico coherente. Habrá que esperar luego a que haya un mayor enfriamiento del observatorio y principalmente del instrumento de infrarrojo medio, para poder calibrar los cuatro instrumentos científicos.

Mientras el Webb se dirige a su destino en orbitar el punto de libración L2, en las próximas semanas, habrá varios despliegues menores, que constituyen el comienzo de la fase de alineación de varios meses de la óptica del telescopio. Para empezar, se han comenzado a liberar al espejo secundario, así como también a cada uno de los segmentos del espejo primario de su posición segura para el lanzamiento y la posterior aceleración. Esto era con el fin de minimizar las vibraciones que sufrirían en sus primeras etapas del viaje, durante el lanzamiento y el subsiguiente período de aceleración a través de las capas densas de la atmósfera. Cada uno de los espejos hexagonales fue provista para esta etapa del viaje, de tres clavijas metálicas rígidas anidadas en los zócalos de soporte correspondientes en la estructura del backplane. Cada espejo debe ahora desplegarse 12.5 mm (una media pulgada) para que las clavijas se despejen de los zócalos y puedan quedar libres de movimiento para poder comenzar el proceso de alineación. Hay 126 actuadores para realizar todos estos movimientos, los cuales se mueven lentamente.

Los actuadores están diseñados para movimientos extremadamente pequeños. Así lo hace necesario, la precisión extraordinariamente fina para alinear los espejos con forma de panal de abeja. Pueden moverse con ajustes tan pequeños como de 10 nanómetros (1/10.000 del ancho de un cabello humano). En el momento se están moviendo a poco más de un centímetro, el máximo a que se moverán en el espacio. El sistema de control por computadora del espejo está diseñado para operar un solo actuador a la vez. Esta es la forma más simple y segura. Además, para limitar el aporte de calor de los motores del actuador a los espejos muy fríos del Webb, cada actuador solo puede operar por períodos muy cortos. Por lo cual, estos "grandes" movimientos de 12,5 mm se hacen dividido en muchos movimientos cortos por solo un actuador a  la vez. Marshall Perrin del Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial, sede del Centro de Operacioness de la Misión Webb, en Baltimore, nos dice, que a toda velocidad, se tarda aproximadamente todo un día en mover todos los segmentos 1 solo milímetro. "¡Es aproximadamente la misma velocidad a que crece la hierba!".

Diagrama de la parte posterior del segmento del espejo primario con el actuador central que por intermedio de seis varillas ajusta la curvatura del espejo, sobre las 3 piezas en azul, se posiciona el marco delta de berilio, en cuyas 3 puntas se encuentran instalados por pares los actuadores.

Ball Aerospace

Los actuadores, son pequeños motores mecánicos que deben lograr conseguir un enfoque perfecto. Tanto el espejo secundario, como cada uno de los 18 segmentos del primario, están provistos de seis de estos dispositivos unidos a la parte posterior, que deben lograr un único enfoque perfecto. Una docena de los segmentos que componen el espejo primario tienen un actuador adicional en su centro que está destinado a ajustar su curvatura. En total son 126 motorcitos que tienen que combinar sus movimientos. Debido a que Webb es un telescopio infrarrojo, los espejos y actuadores deben funcionar en temperaturas tan bajas como -400° Fahrenheit, 33° Kelvin.

Ball Aerospace que fue la encargada de fabricar los espejos, con una basta experiencia y comprobada calidad, demostrada en que construyó las ópticas de tres de los denominados "cuatro grandes telescopios espaciales": SIRFT o Spitzer, Chandra y CGRO, y que además diseñó y construyó el instrumento que corrigió la aberración esférica del Hubble²), también es la que diseñó un software avanzado denominado "Wawefront Sensing and Control". Con el mismo se calcula la posición óptima de cada uno de los espejos.

Como se puede ver en este modelo a escala, el sustrato del espejo, está matrizado en forma de padrones de panales de abeja, lo que permite remover material alivianando la estructura sin restarle resistencia. Vemos los actuadores de alineamiento y el central de flexionamiento. Debajo, al pie del pedestal de la muestra tenemos una caja electrónica. Cada segmento posee una de estas cajas que envía señales a los actuadores para conducir, posicionar y controlar los espejos. Las cajas se encuentran dentro de la estructura que sostiene todos los espejos.

¹)- Es interesante saber como se llegó a diseñar la bodega del transbordador espacial norteamericano. Uno de los más destacados proyectos que se asocian al Centro de Investigación de Vuelo Dryden de la NASA (DFRC) (Dryden Flight Research Center), Edwards, California (26/03/1976-01/03/2014) rebautizado y conocido en la actualidad como Armstrong Flight Research Center, fue el del (STS) transbordador espacial. Durante décadas se había recopilado información y experiencia que harían posible el Space Shuttle y por la década de los 70s, se había decidido por parte de la NASA, que el STS, tendría una pequeña bodega para transportar unas 10 toneladas a una órbita baja (OTB o LEO) (Orbita Terrestre Baja o Low Earth Orbit). Pero estando el programa amenazado de su cancelación por la entonces administración de Richard Nixon (supuestamente EE.UU desconoció hasta 1982 los planes de los soviéticos de construir el transbordador Buran), la NASA se vio obligada a buscar el apoyo del Pentágono. Es aquí, el momento en que éstos imponen sus exigencias para el diseño final del transbordador y entre éstas se encuentra la de disponer de una amplia bodega de carga que triplicaba la capacidad de colocar satélites en órbita baja (unas 29,5 toneladas). Por ser información que sigue siendo en parte clasificada, no está muy clara, pero parecería que el requerimiento se debió a la necesidad de la bodega de almacenar un satélite militar de grandes dimensiones (desclasificados en 2011) el Hexagon KH-9, sustituidos luego por los KH-11 Kennet. Posiblemente haya habido solo dos transportes por el transbordador de los veinte lanzamientos de estos satélite de espionaje óptico. Sorprende el parecido de los mismos con el telescopio Hubble, que se aprovecho posteriormente de esta capacidad. También el aumento de las dimensiones alares fue otra exigencia de los militares a los efectos de utilizar su base de Vandenberg. Pero las misiones clasificadas del Shuttle fueron canceladas desde Vandenberg desde 1986, luego del accidente del Challenger.

²)- El espejo del telescopio Hubble construido por Perkin-Elmer, fue pulido defectuosamente, lo que hizo que tuviera una aberración esférica importante. Se contrató a Ball Aerospace para corregirla, y ésta diseño el COSTAR (Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement) (Óptica Correctiva de Sustitución Axial del Telescopio Espacial) que mejoró de forma notable la nitidez de las imágenes. Fue colocada en la primera misión de mantenimiento de Hubble en 1993 y retirada por la quinta misión de mantenimiento en 2009, cuando fue suplantada por el espectrógrafo de orígenes cósmicos.