La liberación de los espejos del Webb (7)
-Siguiendo la ruta del Telescopio Espacial James Webb-
La liberación de los segmentos del espejo primario ha comenzado el día 11/01/2022 y como vimos en la entrada anterior es un proceso sumamente lento que durará 10 días. Desde el día +18 del lanzamiento al +28 (21/01/2022). Al momento de publicar esta entrada nos encontramos en el día +25 y el Webb ha recorrido más de 94% de su trayecto a la inserción en la órbita de halo alrededor de L2. Encontrándose a más de 1.360.000 km de la Tierra y restándole poco menos de 86.000 km del punto Lagrange. El Webb continúa con su proceso de enfriamiento y su velocidad de crucero a decrecido a 0.24 km x segundo (864 km x hora). Se encuentra en proceso de liberarse de sus clavijas el segmento B6 y falta concluir este proceso en los segmentos A6 y A3 que llevan ambos 8 de los 12,5 mm desplegados. Estos dos (A6 y A3) se moverán por separado al final del proceso porque sus sensores de posición se leen de una manera diferente.
Ball Aerospace fue la encargada de fabricar los espejos del JWST. La detección y control del fuente de onda es un término técnico utilizado para describir el subsistema destinado a detectar y corregir cualquier error en el telescopio.
Los espejos deben ser examinados minuciosamente en busca de imperfecciones o contaminaciones.
Para desarrollar y demostrar la tecnología de avanzada empleada en la segmentación del espejo primario del Webb, Ball Aerospace diseño un banco de pruebas. Cada uno de los nueve sistemas de alineación se probaron en este banco de pruebas. Los modelos probados estaban en una escala de 1/6.
Todos los espejos fueron construidos con berilio y cubiertos con una finísima capa de oro puro (unos 700 átomos de espesor) y ésta última capa de oro a su vez, recubierta por vidrio amorfo (SiO2) a efectos de protegerla. El total del oro aplicado en todos los espejos fue el equivalente a un poco menos de una pelota de golf, unos 48,5 gramos. El berilio fue extraído del distrito minero de Spor Mountain - Topaz Mountain, condado de Juab, Utah. Luego de la extracción del mineral en la mina de cielo abierto de Brush Wellman¹), éste viajó a las instalaciones de la compañía en el estado de Ohio²), para ser purificado. Aquí hay un enlace donde se sigue el itinerario del recorrido de los espejos: mapa interactivo.
Axsys Technologies fue la encargada de dar forma a la parte posterior de los espejos, sacando la mayor parte del material y solo dejando una estructura de panel atravesada por costillas de un solo milímetro de grosor, el mínimo suficiente para conservar estable la forma del segmento.
Luego del perfecto pulido de las piezas, el oro les fue aplicado por vapor al vacío y por ser la capa de oro puro y por tanto susceptible de sufrir arañazos, esta a su vez se recubrió con una fina capa de vidrio. Para continuar con la preservación de los espejos se dotaron de cubiertas protectoras, que en el caso de los segmentos primarios no se quitaron hasta estar finalizada su instalación en el soporte "backplane".
Por debajo del observatorio se encuentra el llamado "spacecraft bus", que proporciona las funciones necesarias para las operaciones del telescopio por intermedio de seis subsistemas.
- Subsistema de energía eléctrica
- Subsistema de control de actitud
- Subsistema de comunicación
- Subsistema de comando y manejo de datos
- subsistema de propulsión
- subsistema de control térmico
Básicamente es un cubo, como se ve en el diagrama de arriba, cuyas paredes están construidas de fibra de carbono y compuestos de grafito. En el dibujo, en color violeta están representadas las cortinas de los radiadores. Las flechas "j" numeradas corresponden al tipo de estabilización de la nave espacial, a lo que se llama técnicamente control de actitud (presente también en las aeronaves). En una nave espacial el control de actitud puede tener dos enfoques principales que son el de estabilización por giro (ejemplo sondas Pionner 10 y 11) o por estabilización de tres ejes como en este caso. Se utiliza este último, por necesitar estar fijo el telescopio en la orientación deseada para lograr hacer sus observaciones, asegurando además que la antena este dirigida siempre a la Tierra. Para conseguir este tipo de estabilización se pueden utilizar propulsores o emplear "ruedas de reacción", que también suelen ser llamadas "ruedas de impulso". Es clara la ventaja de la utilización de las ruedas de reacción en las naves de observación, ya que brindan una mayor estabilidad. El exceso de impulso acumulado por causas externas, como la presión por los fotones solares sobre el gran parasol de Webb o las gradientes de gravedad minimizadas por su posición orbitando L2, más la sumatoria de momentos angulares del posicionamiento de las observaciones, exigen su eliminación mediante maniobras llamadas "desaturación de impulso", también denominadas maniobras de descarga de impulso. La mayoría de las veces se utilizan los propulsores para efectuar las correcciones mediante las maniobras de desaturación. El telescopio espacial Hubble para evita contaminar sus ópticas con los gases producidos por los propulsores no los tiene, utiliza un método distinto por torsión magnética.
Sistema de alineamiento del Hubble (NASA)
Los sistemas de ruedas de reacción tienen como desventaja una vida útil mecánica limitada. El JWST utiliza las ya provistas a las misiones Chandra, EOS Aqua y Aura de la NASA.
Los giroscopios quizás sean el punto débil del sistema, como lo han demostrado los que pertenecen a Hubble y a Chandra. Son dispositivos mecánicos que dependen de sus rodamientos para su función. En el Webb, se adopta una tecnología diferente con el HRG. El Giroscopio Resonador Hemisférico utiliza un hemisferio de cuarzo que vibra a su frecuencia resonante para detectar la velocidad inercial. Como el hemisferio resuena en el vacío, cualquier deterioro de la carcaza, solo mejoraría su desempeño, por estar trabajando en el vacío espacial. Por otra parte carece de rodamientos y de cables, pues solo lleva unos electrodos de detección separados. Este sistema utilizado a partir de 2011, ha acumulado 18 millones de horas de vuelo en 125 naves espaciales, sin haberse producida una sola falla.
La nave con su panel solar de 5 secciones desplegado, el que fue su primer desplegamiento una vez que el telescopio fue autónomo. El panel solar está dispuesto en lo que se llama "arrastre de cola" y la estructura de soporte de las células está fabricada en fibra de carbono y construida también con forma de panales de abeja. El panel alimenta las batería de iones de litio, que deberían resistir un ciclo de 18.000 cargas y recargas.
La nave espacial incluye como tareas importantes efectuar las correcciones de trayectoria hacia su destino en el punto de libración del sistema Sol-Tierra L2 y una vez allí, realizar el mantenimiento de su órbita de halo metaestable y apuntar el telescopio hacia los objetivos de sus observaciones. Para efectuar las maniobras necesarias dispone de 12 motores. La nave puede proporcionar una orientación de un segundo de arco ( o sea ¹/3600°) y aísla la vibración hasta 2 milisegundos de arco. El apuntamiento fino se realiza mediante el espejo de dirección fino, lo cual evita mover todo el espejo primario o el "bus".
Esquema del sistema de propulsores de JWST.
Captura de pantalla modificada (NASA)
Los transductores de presión o transductores de flujo son unos artilugios que empezaron a utilizarse en las aeronaves por los años 70s. Normalmente, como en este caso, van antes del filtro. Originalmente eran de paleta, pero hoy se usan los digitales. Su sensibilidad es muy superior a los medidores convencionales y aunque es digital puede operar en el entorno de las temperaturas que habrá dentro del"bus" (pueden operar entre -55 y +70° Celsius y en el momento los sensores marcan en el Webb 11° en la nave y 57 en el parasol, estando las temperaturas del lado frío en -200° Celsius y bajando)
Los propulsores SCATs (Secundary Combustion Augmented Thrusters) (propulsores aumentados de combustión secundaria) son los encargados de ejecutar las correcciones de órbita conocidas como maniobras Delta V y las maniobras de mantenimiento de estaciones que sirven para conservar la órbita estable alrededor de L2. Los motores MRE-1 DTMs (Mono-propellant Rocket Engines) (motores cohetes monopropulsores) se utilizan para el control de actitud y la descarga de impulso de las ruedas de reacción.
Los SCATs son bipropulsores, que utilizan hidracina (N2H4) y tetróxido de dinitrógeno (N2O4) como combustible y oxidante. Funcionan en "modo de purga" con un tipo de tanque para cada uno de los propelentes y utilizando helio gaseoso (GHe) como presurizante. Hay dos pares de SCATs emparejados para redundancia.
Modificación del autor sobre captura de pantalla (ESA) donde se muestra la parte de abajo del Webb recién separado de la segunda etapa del Ariane 5, que es de donde se filma esta secuencia en tiempo real. Arriba a la derecha lo que se aprecia en celeste es nuestro planeta.
Como se aprecia en la foto, un par de bipropulsores SCATs se encuentran situado sobre el centro de la parte inferior del "bus". Se utilizan para las maniobras Delta V, antes de desplegar el escudo solar. El otro par se encuentra en el lado opuesto al del panel solar, orientado de tal manera que su dirección de empuje pasa a través del centro de masa del James Webb desplegado y se usan para la maniobra Delta V de inserción en órbita y las maniobras de mantenimiento de estaciones, cuando el observatorio está completamente desplegado.
Los 8 propulsores MRE-1 utilizan únicamente hidracina como combustible y están orientados en pares para que puedan ser empleados para controlar el balanceo, cabeceo o guiñada. Para cuando se emplean en las llamadas "descarga de momento" se disparan de manera que el par aplicado proporciona el cambio deseado en el momento angular de las ruedas de reacción. La asignación de la sigla DTM para estos propulsores significa: "módulos de doble impulso" (Dual Thrust Modules).
En esta parte del JWST, que debe trabajar en la parte caliente, también se encuentra lo que los técnicos llaman la región 3 de ISIM que incluye el "Comando y Manejo de Datos" y el crioenfriador del MIRI.
Diagrama que muestra las tres regiones que se le asignan al módulo integrado de instrumentos científicos (ISIM) Cortesía NASA
El componente "región l" es el módulo de instrumentos criogénicos, la "región 2" es el compartimento electrónico de control de los instrumentos y la "región 3" como ya vimos, es el subsistema ISIM de comando y manejo de datos y el compresor crioenfriador del MIRI. Como se observa, la inclusión de los materiales en cada una de las regiones se debe a la temperatura en que operan.
Como se aprecia en la foto anterior, también se encuentran los rastreadores de estrella o sensores estelares para el sistema de orientación. La antena dirigida hacia la Tierra, el panel solar y seis ruedas de reacción. Los sistemas térmicos incluyen los conjuntos de cortinas de radiador desplegables, una vertical (DRSAV) y otra horizontal (DRSAH). También cuenta con un pequeño radiador para la bateria y otro pequeño en la parte inferior. Todos estos sistemas están hecho con membranas de Kapton revestidas con silicona y aluminuro, también llamado VPA. Algunas otras zonas exteriores se hallan recubiertas por MLI. Este es un aislamiento térmico multicapa que esta compuesto de muchas capas delgadas, generalmente de plástico recubierto de metal y separadas por una malla textil.
El subsistema de energía eléctrica (EPS) también cuenta con una unidad de control de potencia o PCU que sirve para controlar los comandos de encendido y apagado de los instrumentos científicos u otros dispositivos, bajo el control de la computadora central. El EPS contiene por otra parte, la Unidad de Adquisición de Telemetría o TAU, el cual comanda los calentadores del lado cálido del Webb, los actuadores de despliegue y la mayor parte de los procesadores de telemetría (por ejemplo mediciones de energía eléctrica, nivel de combustible, temperaturas).
El Telescopio Espacial James Webb está integrado, como ya vimos, por cuatro elementos principales. Pero estos se combinan en dos estructuras de la que una corresponde al lado caliente y la otra al lado frio. Del lado caliente tenemos el llamado "bus" de la nave espacial y el parasol que se combinan para formar la nave espacial y del lado frio hallamos el módulo de instrumentos científicos integrados (ISIM) y el elemento óptico del telescopio (OTE), combinados en OTIS.
¹)- Las dos vetas a cielo abierto que explota esta compañía producen más del 85% del berilio extraído en el mundo. De todas formas, Estados Unidos importa más de un 30% del material de berilio procesado o puro que utiliza anualmente (2/3 de estas importaciones proceden de Rusia y Kazajistán). Kazajistán y China, junto a los Estados Unidos, son los tres países que procesan este mineral. China es el segundo productor mundial, mientras que Mozambique y otros países africanos aportan un 2%. Estados Unidos, como también la Unión Europea han declarado al berilio como material estratégico. El acopio de éste por parte de Estados Unidos explicaría sus importaciones. Es posible además, que pueda haber reservas de berilio sin explotar en otros lugares de Utah y de Alaska. El 80% del berilio utilizado en EE.UU es en aleaciones de berilio-cobre. El metal berilio se extrae de dos minerales, el berilo y la bertrandita. Todo el extraído en EE.UU. procede de la bertrandita.
²)- El Departamento de Estado tiene una asociación con la compañía, completando en 2011 una nueva planta de procesamiento en Ohio, y por la cual hasta 2/3 de la producción deben estar destinados a la defensa o a otros fines relacionados con el gobierno.
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