O quão resistente um telescópio espacial deve ser para sobreviver tanto ao ambiente da Terra quanto ao frio, ambiente sem ar do espaço? Paul Geithner, o vice-gerente de projeto - técnico para James Webb Space Telescope no Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Maryland, respondeu a algumas perguntas sobre os desafios de design da construção do telescópio e o desafio de testes que ele suportou nos anos que antecederam o lançamento. Telescópio Espacial James Webb, ou Webb, é o próximo observatório espacial infravermelho da NASA, que será lançado em 2019.

P:Que tipo de condições o Webb e seus instrumentos precisam resistir?

Paul:Todo o observatório deve sobreviver às condições mecanicamente estressantes da violenta vibração do lançamento. Além disso, a metade "fria" do observatório - o telescópio e seus instrumentos - deve sobreviver ao encolhimento térmico que ocorre quando eles estão esfriando da temperatura ambiente para as temperaturas criogênicas nas quais operam no frio do espaço.

O desafio da engenharia é operar o Webb em temperaturas extremamente frias, já que Webb é construído em temperatura ambiente. Os materiais normalmente encolhem em várias taxas de temperatura à medida que esfriam. Temos que construir o telescópio Webb de forma que ele encolha com precisão a forma e as dimensões corretas quando está extremamente frio. Webb tem que sobreviver ao estresse de encolher e expandir durante os testes de baixa temperatura e aquecê-lo novamente - coisas que acontecerão quando ele for para o espaço.

Webb tem que sobreviver anos no espaço, exposto à radiação do sol e da galáxia.

P:Por que o teste de vibração é tão importante, e como isso mostra que Webb está pronto para os rigores do lançamento?

Paul:O teste de vibração é feito por dois motivos. Um dos motivos é validar que Webb pode lidar com o tremor rigoroso que experimentará enquanto dirige um foguete para o espaço, e a outra razão é verificar o acabamento da construção de Webb e provar que o projeto foi projetado e montado corretamente.

Usamos dois métodos complementares de vibração. Para frequências mais baixas de vibração, significando de cerca de 5 hertz (ciclos por segundo) a 100 hertz, colocamos o hardware em uma superfície - basicamente uma grande placa de metal - que se move sobre rolamentos para que possa se mover para frente e para trás, e essa superfície está conectada essencialmente a um grande eletroímã que gera o movimento de vibração.

Para frequências mais altas, acima de 100 hertz, é muito difícil ou impossível alcançar a vibração necessária com um grande sistema de mesa de vibração, então, em vez disso, colocamos o hardware em uma câmara acústica. Esta é uma sala de paredes grossas com grandes alto-falantes que produzem níveis de som literalmente ensurdecedores.

Tomados em conjunto, a mesa de vibração e a câmara acústica produzem os ambientes de vibração de que precisamos para testar adequadamente o Webb. Normalmente, para um artigo único como Webb, os níveis de vibração aos quais o submetemos em testes no solo é cerca de duas vezes o que ele suportará durante a missão. Este teste nos dá a confiança de que Webb foi montado corretamente, vai sobreviver ao vôo real, e funcionará conforme projetado uma vez no espaço.

P:Por que o teste criogênico é tão importante, e como isso mostra que Webb está pronto para o estresse do espaço?

Paul:Testes superfrios ou "criogênicos" são parte da demonstração e verificação de que os instrumentos e componentes de Webb operam como deveriam e funcionarão corretamente uma vez no segundo ponto de Lagrange da Terra (L2). O ponto L2 está a cerca de 1 milhão de milhas da Terra.

Colocamos o hardware do telescópio Webb em uma grande câmara de vácuo, feche a porta, bombear todo o ar para fora, e, em seguida, passar nitrogênio líquido e gás hélio extremamente frio através do encanamento que cruza a superfície de finas "conchas" que são aninhadas no estilo de boneca russa dentro da câmara de vácuo.

As conchas também são chamadas de mortalhas, e eles estão muito frios. O externo se aproxima de 77 Kelvin (cerca de 321 graus Fahrenheit negativos / 196 graus Celsius negativos - a temperatura do nitrogênio líquido). A camada interna varia entre 10 e 20 Kelvin (entre menos 442 graus Fahrenheit / menos 263 graus Celsius e menos 424 graus Fahrenheit / menos 253 graus Celsius - a temperatura do gás hélio frio). Qualquer coisa aninhada dentro das mortalhas irradiará seu calor latente para eles e ficará muito frio, também.

O efeito é semelhante ao que acontece em uma noite clara, quando o calor do dia anterior irradia livremente para o céu noturno. Pela manhã, a temperatura pode ser bastante baixa. Pense no deserto, onde o céu é normalmente seco e claro. Mesmo que esteja muito quente durante o dia, fica frio à noite porque o calor irradia da superfície.

P:Por que Webb precisa de um "protetor solar, "e que tipo de proteção oferece?

Paul:Os instrumentos são protegidos do sol por uma quadra de tênis do tamanho, cinco camadas, proteção solar desdobrável. O protetor solar consiste em barreiras implantáveis ​​e membranas de poliimida diáfana, essencialmente folhas de plástico especial (DuPont Kapton), cada um com apenas cerca de um milésimo de polegada de espessura e revestido com alumínio reflexivo e silicone protetor. Basicamente, parece um cinco camadas, gigante pipa de prata no espaço.

Precisamos de uma proteção solar para manter o telescópio e os instrumentos frios porque Webb é um telescópio infravermelho, o que significa que ele vê luz infravermelha. A luz infravermelha é uma luz ligeiramente mais longa, ou mais vermelho, comprimentos de onda do que a luz visível. Não podemos ver com nossos olhos, mas podemos senti-lo como calor radiante.

Para um telescópio infravermelho ser o mais sensível possível, sua ótica e instrumentos científicos precisam ser muito frios, portanto, seu próprio calor não os cega para os tênues sinais infravermelhos que estão tentando observar em objetos astronômicos. No espaço e protegido do sol pelo protetor solar, o telescópio e os instrumentos científicos enfrentarão o frio extremo do espaço profundo e ficarão muito frios.

P:Quais materiais foram usados ​​para construir o Webb, e como esses materiais aumentam a resiliência de Webb?

Paul:Usamos berílio para muitos dos espelhos de Webb e algumas das estruturas porque é simultaneamente leve, rígido, Forte, e dimensionalmente estável (pára de encolher e expandir) na temperatura de operação do telescópio. O berílio muda muito de dimensão com a temperatura, mas virtualmente para de encolher assim que cai abaixo da temperatura de 100 Kelvin (cerca de 280 graus Fahrenheit negativos ou 173 graus Celsius negativos).

Usamos muitos outros materiais na Webb, incluindo alumínio para algumas coisas, aço inoxidável para fixadores, titânio para estruturas e fechos, invar (uma liga) para nós estruturais, e muitos outros metais. Também temos compostos não metálicos como grafite-epóxi para a maioria das estruturas e cerâmica de carboneto de silício para um dos instrumentos científicos (o espectrógrafo de infravermelho próximo - NIRSpec).

Q:A órbita de Webb no segundo ponto de Lagrange da Terra (L2) está além da bainha protetora do campo magnético da Terra, o que significa que o telescópio é mais suscetível à radiação do sol e às explosões solares. Como o Webb é isolado dessas ameaças?

Paul:O campo magnético da Terra atua como um escudo defletor para prótons e elétrons sendo expelidos o tempo todo do sol. A proteção de satélites dentro do campo magnético da Terra inclui a colocação de algum metal - como painéis de alumínio - entre a eletrônica e o ambiente espacial, implementar um bom aterramento elétrico, e tornando os componentes eletrônicos resistentes à radiação. Porque Webb está fora do campo magnético da Terra, será bombardeado por partículas carregadas fluindo do sol, e por isso precisa de proteção extra. Essas partículas carregadas são difíceis para a eletrônica, e eles podem se acumular em superfícies para acumular carga estática que pode causar descargas prejudiciais.

Webb também será vulnerável a ocasionais "arrotos" massivos do sol que acontecem com erupções solares e ejeções de massa coronal, que são fenômenos nos quais o Sol libera lesmas de prótons e elétrons de alguns anos em apenas algumas horas. Para permitir que Webb resista a esse clima solar tempestuoso, bem como aos "dias agradáveis ​​normais, "quase todos os seus eletrônicos são protegidos dentro de caixas de metal e atrás de várias camadas de metal ou filme revestido de metal.

Os componentes eletrônicos do lado frio do protetor solar de Webb se beneficiam de estar atrás das cinco camadas do protetor, que são revestidos em alumínio. A eletrônica dentro do ônibus da espaçonave, que enfrenta o sol, são endurecidos, blindado, e aterrado. Webb usou práticas de design comprovadas e verdadeiras e códigos de construção de satélites para garantir que sobreviverá e funcionará na dureza do ambiente L2.

P:Webb não foi projetado para ser atendido, mas poderia ser consertado ou reabastecido durante uma missão de serviço robótica?

Paul:Possivelmente, algum serviço robótico de Webb poderia ser possível. Um robô poderia agarrar Webb no mesmo lugar onde estava preso ao veículo de lançamento Ariane, que é o anel de interface do lançador no ônibus da espaçonave voltado para o sol, e, em seguida, adicione combustível ao tanque de propulsão. Dado que Webb é um observatório infravermelho extremamente sensível, e muito disso está em temperaturas criogênicas, oportunidades e benefícios de manutenção são limitados.

O Telescópio Espacial James Webb é o principal observatório espacial infravermelho da próxima década. Uma missão de quebrar barreiras para engenheiros e astrônomos, Webb vai resolver os mistérios do nosso sistema solar, olhe além, para mundos distantes ao redor de outras estrelas, e sondar as misteriosas estruturas e origens de nosso universo e nosso lugar nele. Webb é um programa internacional liderado pela NASA com seus parceiros, a Agência Espacial Europeia (ESA), e a Agência Espacial Canadense (CSA).