Ikona szukaj

Innowacyjne lustra teleskopu

Należący do NASA kosmiczny teleskop Jamesa Webba, nazwany na cześć drugiego administratora NASA odpowiedzialnego m.in. za realizację programu Apollo, jest kolejnym elementem w dążeniu do poznania nieznanego wszechświata. Kilkukrotnie odkładany start teleskopu spowodował, że jego budowa jest jednym z najbardziej wyczekiwanych programów NASA. Początkowo zakładano, że koszt całego projektu osiągnie 1,6 mld $. Finalnie całkowite koszty przekroczą 8,7 mld $. Jako największy teleskop na podczerwień zaoferuje bezprecedensową rozdzielczość i czułość w zakresie światła widzialnego oraz bliskiej i średniej podczerwieni. Pozwoli to na obserwacje obiektów do 400 razy ciemniejszych niż te, które mamy możliwość badać za pomocą teleskopów naziemnych i kosmicznych w dobie obecnej. Jest to możliwe dzięki zastosowaniu ogromnego lustra. Stanowi to wyzwanie konstrukcyjne dla inżynierów i naukowców, ponieważ nowy teleskop różni się budową i rozmiarem od obecnie nam znanego teleskopu optycznego Hubble'a.

Wszystko zaczęło się od ambitnego projektu, który zakładał skonstruowanie teleskopu pozwalającego spojrzeć w przeszłość kiedy galaktyki były jeszcze młode i odległe. Dlatego nowy teleskop potrzebował dużego lustra, zbierającego więcej światła z obserwowanych obiektów. Zdecydowano się na konstrukcję zwierciadła z 18 sześciokątnych elementów. Pozwala to na uzyskanie w przybliżeniu okrągłego, segmentowanego lustra o wysokim współczynniku wypełnienia i sześciokątnej symetrii. Wysoki współczynnik charakteryzuje spasowanie elementów między sobą bez przerw. Aby uzyskać okrągły kształt, zdecydowano się podzielić całe zwierciadło na moduły w trzech wariantach o różnej krzywiźnie.

Kolejnym wyzwaniem inżynieryjnym była forma pojedynczego segmentu. Do budowy luster zdecydowano się na nowy sposób ich konstrukcji, a program odpowiedzialny za to zadanie nazywał się "Advanced Mirror System Demonstrator" (ASMD). Na podstawie badań programu ASMD wykonano dwie próbki luster testowych. Jedno opracowała firma Ball Aerospace z berylu, natomiast drugie przygotowała firma Kodak, które zostało wytworzone ze specjalnego rodzaju szkła. Po przetestowaniu luster, biorąc pod uwagę ich działanie, koszt oraz łatwość budowy pełnowymiarowego zwierciadła o boku 6,5 m, zespół ekspertów wybrał lustro berylowe. Głównym czynnikiem przemawiających za takim wyborem był fakt, że beryl zachowuje swój kształt w temperaturach kriogenicznych. Ponadto beryl jest metalem lekkim a zarazem mocnym, co również przemawiało na jego korzyść.

Po wyborze materiału oraz wykonaniu półfabrykatów ze sproszkowanego berylu, przyszedł czas na nadanie detalom ostatecznego kształtu. Zadanie to powierzono fimie Axsys Technologies z Cullman w Alabamie. Ostateczny proces kształtowania segmentu rozpoczęto od wycięcia większości tylnej części podzespołów, pozostawiając tylko strukturę żeber o grubości 1 mm. Chociaż większość materiału została wycięta struktura elementu nadal była stabilna, aby utrzymać kształt. Dzięki temu konstrukcja stała się nieco lżejsza.

Gdy segmenty lustra zostały już ukształtowane, kolejnym etapem było ich polerowanie. Pracę rozpoczęto od zeszlifowania powierzchni do osiągnięcia ostatecznego kształtu, a następnie starannie wygładzono i wypolerowano do momentu uzyskania zadowalających efektów. Po tym czasie segmenty były poddawane testom kriogenicznym w temperaturze -240°C, w jakiej będzie pracował Teleskop Jamesa Webba. Podczas testów, za pomocą interferometru laserowego, została zarejestrowana zmiana kształtu zwierciadeł. Przy czym, informacja ta wraz z lustrami trafiła z powrotem do Kalifornii gdzie elementy zostały poddane końcowemu polerowaniu.

Po wykonaniu korekty docelowego kształtu oraz testów pod kątem efektów obrazowania spowodowanych niskimi temperaturami przyszedł czas na aplikację ostatniej warstwy. Cienka, złota powłoka o grubości 1000 angstremów (100 nanometrów) została naniesiona za pomocą technologii naparowania próżniowego. w komorze próżniowej umieszczono pojedynczy segment, a niewielka ilość złota została odparowywana i osadziła się na elemencie. Dodatkowo, aby chronić lustra przed zarysowaniem lub innymi czynnikami, naniesiono cienką, wierzchnią warstwę ze szkła. Po nałożeniu złotej powłoki zwierciadła poddano weryfikacji oraz ponownym testom kriogenicznym. Sprawne, gotowe już elementy zostały przywiezione do Centrum Lotów Kosmicznych NASA w stanie Maryland. Tam były przechowywane w specjalnych pojemnikach ochronnych, czekając na konstrukcje teleskopu, do której zostały zamontowane.

Jednym z głównych celów teleskopu będzie spojrzenie w przeszłość o ok. 13 mld lat świetlnych i określenie jak ewoluowały galaktyki oraz obserwacja ich narodzin. Nowy teleskop poszerzy granicę poznania wszechświata, odpowie na pytania naukowców oraz zada nowe, równie trudne. Start teleskopu zaplanowano na 31 października 2021 roku.

15.12.2020

Mateusz

©Planeta Mars 2021