تهدف مهمة DART التابعة لناسا إلى إنقاذ العالم

تهدف مهمة DART التابعة لناسا إلى إنقاذ العالم

لكي يعمل تلسكوب جيمس ويب الفضائي ، يجب أن يكون قادرًا على الرؤية بعيدًا بما يكفي لرؤية المجرات الأولى التي تشكلت بعد الانفجار العظيم ، لذلك يجب أن يصور الأشياء المظلمة جدًا بحيث بالكاد يمكن ملاحظتها من البرد. حولهم. في الأسبوع المقبل ، عندما يُتوقع أن يطلق JWST أول كومة من الصور العلمية وبيانات التحليل الطيفي ، سيبدأ العالم في رؤية مدى جودة أداء المرصد.

لذا ، من أجل الجدل ، دعنا نفترض أن جميع العلامات حتى الآن تشير بالفعل إلى بداية ناجحة لمرحلة جمع البيانات العلمية (الطويلة والسردية) لمهمة ويب. فهل يمكن لمهندسي ومصممي هذا التلسكوب العملاق تبريد التلسكوب بما يكفي لأداء المهمة على مسافة تقارب أربعة أضعاف المسافة من الأرض إلى القمر؟

بعد أكثر من 25 عامًا من العمل والعقبات التقنية التي لا حصر لها ، أطلق فريق ويب مرصد الماموث ووضعه في مدار شمسي. منذ 13.5 مليار سنة. والمثير للدهشة أن معظم التبريد يكون سلبيًا ، حيث يحمي التلسكوب من الشمس ويترك الباقي للفيزياء.

قال مركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا في ماريلاند كيث باريش قائد فريق الويب كيث باريش: “ويب ليس نتاجًا جماعيًا فقط. إنه ليس نتاج بعض علماء الفلك الأذكياء. ويب هو مجرد نتاج لقدراتنا العالمية”. “بشكل عام ، الويب هو نتيجة كل خبرتنا في كيفية إنشاء أجهزة معقدة.”

انضم باريش إلى المشروع في عام 1997 وأصبح في النهاية مدير التكليف بعد التصميم والبناء والاختبار والتأخير وإطلاقه أخيرًا في 25 ديسمبر 2021. تمليه الحاجة إلى وجود مرصد نجا لسنوات في درجات حرارة منخفضة للغاية.

في هذه الصورة ، يتم نشر وفحص حاجب الشمس JWST المكون من 5 طبقات في غرفة نظيفة. لا تلمس طبقات Kapton E المطلية أبدًا ، مما يقلل من انتقال الحرارة من طبقة إلى أخرى. أليكس إيفرز / نورثروب جرومان

ويب هو مرصد الأشعة تحت الحمراء لأسباب عديدة. مع توسع الكون ، تطول الأطوال الموجية للضوء من الأجسام البعيدة ، مما يتسبب في انزياح أحمر كبير. الأشعة تحت الحمراء مفيدة أيضًا للرؤية من خلال الغبار والغاز الكوني ، ولتصوير الأجسام الباردة مثل المذنبات وأجسام حزام كايبر والكواكب التي تدور حول نجوم أخرى.

ومع ذلك ، غالبًا ما يتم قياس الأشعة تحت الحمراء على أنها حرارة ، لذلك من المهم أن يكون الويب شديد البرودة. عندما يكون في مدار أرضي منخفض وليس له درع شمسي ، مثل تلسكوب هابل ، فإن معظم أهدافه تغرق بسبب حرارة الشمس والأرض والتلسكوب نفسه.

“إذا كانت إشاريتي عبارة عن حرارة وكانت الأشعة تحت الحمراء لدي حرارة ، فإن ما لا يمكنني الحصول عليه هو مصادر الحرارة الأخرى التي تصدر ضوضاء في النظام.

لذلك تم إرسال Webb إلى مدار أحد الأماكن المعروفة باسم نقاط لاغرانج ، على الجانب الآخر من الشمس ، على بعد 1.5 مليون كيلومتر في الفضاء المسمى L2. هذه النقاط “L” هي المكان الذي تتآمر فيه قوى الجاذبية للأرض والشمس على وجه التحديد للحفاظ على مسار 365.256 يومًا حول الشمس في مدار مستقر ، نسبيًا “ثابت” فيما يتعلق بالأرض. هذا حل وسط جيد. الأرض بعيدة بما يكفي لعدم التدخل في الملاحظات ، لكنها قريبة بما يكفي بحيث يكون الاتصال بالمركبة الفضائية سريعًا نسبيًا. أيضًا ، نظرًا لأن السفينة لا تطير ليلًا ونهارًا ، فإن درجة حرارتها مستقرة نسبيًا. كل ما تحتاجه هو ظل جيد حقًا.

“أربعة [layers of sunshield] ربما أنجزت المهمة. خمسة أعطانا القليل من بوليصة التأمين. أود أن أقول إنه كان أكثر تعقيدًا من ذلك بكثير ، لكنه لم يكن كذلك حقًا. “
—كيث باريش ، مركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا

قالت ألكسندرا لوكوود ، عالمة المشروع في معهد علوم تلسكوب الفضاء ، الذي يدير Webb: “لقد تم تصميمه خصيصًا بهذه الطريقة لأننا أردنا القيام بعلوم الأشعة تحت الحمراء المكثفة.”

يجعل لسفينة سيئة المظهر في العديد من العروض. يتم فتح مجموعة التلسكوب عن قصد في الفضاء لمنع تراكم الحرارة وهي مثبتة على مظلة فضية بعرض 14 مترًا وطول 21 مترًا ، مع خمس طبقات من الفيلم العازل للحفاظ على درجة الحرارة. تلسكوب في ظلام دامس تقريبا.

عند النظر إليه من الجانب المضاء بنور الشمس ، يشبه حاجب الشمس تقريبًا طائرة ورقية. اكتشف مهندسو الشكل الممدود الطريقة الأكثر فاعلية لإبعاد بصريات ويب عن الشمس. كانوا يفكرون بشكل مربع أو مثمن ، لكن النسخة النهائية تغطي مساحة أكبر دون إضافة كتلة كبيرة.

يقول باريش: “إنه ليس أكبر من المطلوب لتلبية متطلبات مجال الرؤية للعلم ، مما يؤدي إلى شكل طائرة ورقية فريد”. “عندما تصبح أكبر مما أنت عليه الآن ، يصبح كل شيء أكثر تعقيدًا.”

الطبقات الخمس للدرع مصنوعة من Kapton E ، وهو فيلم بلاستيكي طورته شركة DuPont لأول مرة في الستينيات ويستخدم لعزل المركبات الفضائية والدوائر المطبوعة. الطبقات مطلية بالألمنيوم والسيليكون. كل واحدة أرق من شعرة الإنسان. ولكن معًا ، يقول المهندسون إنهم فعالون جدًا في حجب حرارة الشمس ، بينما تعمل الطبقة الثانية على خفضها بمقدار أكبر. لا تلمس الطبقات وتتسع قليلاً بعيدًا عن مركز الدرع للسماح للحرارة بالهروب من الجوانب.

النتيجة: درجة الحرارة على جانب الشمس من الدرع تقترب من 360 كلفن (87 درجة مئوية) ، ولكن على الجانب المظلم تكون درجة الحرارة أقل من 40 كلفن (-233 درجة مئوية). بمعنى آخر ، يسقط أكثر من 200 كيلوواط من الطاقة الشمسية على الطبقة الأولى ، لكن 23 ملي واط فقط تصل إلى الطبقة الخامسة.

لماذا 5 طبقات؟ تم إجراء الكثير من النمذجة الحاسوبية ، ولكن كان من الصعب محاكاة السلوك الحراري للدرع قبل الطيران. يقول باريش: “ربما قام أربعة بهذه المهمة. وقدم لنا خمسة منهم القليل من التأمين”. “أود أن أقول أنها كانت أكثر تعقيدًا من ذلك بكثير ، لكنها لم تكن كذلك على الإطلاق.”

تم حساب القدرة على تبريد التلسكوب بشكل طبيعي لأول مرة قدر الإمكان في الثمانينيات ، لكنها كانت تقدمًا كبيرًا. وهذا يعني أن الويب لم يكن مضطرًا إلى الاعتماد على معدات التبريد الثقيلة والمعقدة ، والتي يمكن أن تتسبب في تسرب مادة التبريد وتقصير المهمة. من بين أدواتها العلمية الرئيسية الأربعة ، هناك جهاز واحد فقط ، وهو كاشف متوسط ​​الأشعة تحت الحمراء يسمى MIRI ، يحتاج إلى التبريد إلى 6.7 كيلو. يتم تبريده بواسطة مبرد تجميد متعدد المراحل يضخ غاز الهيليوم البارد من خلال أنبوب نبضي ويسحب الحرارة من مستشعرات الجهاز. يستخدم تأثير جول-طومسون لخفض درجة حرارة الهيليوم عن طريق دفعه خلال لمبة 1 مم ثم توسيعه. يأتي الضغط من مكبسين ، وهما الجزءان المتحركان الوحيدان في نظام المبرد بالتبريد. نظرًا لأن هذه المكابس تواجه اتجاهين متعاكسين ، فإن حركاتها تلغي بعضها البعض ولا تتداخل مع المراقبة.

تبين أن بناء التلسكوب معقد للغاية. لقد تأخرت سنوات بميزانية قدرها 10 مليارات دولار. تطلب حاجب الشمس إعادة تصميم مطول بعد الاختبار عندما تمزق Kapton وفك السحابات.

يقول باريش: “لقد مضغنا بطرق أكثر مما يمكننا مضغه”. “هذا بالضبط ما يجب أن تفعله ناسا. يجب أن تتخطى الحدود. المشكلة هي أن ويب أصبح في النهاية أكبر من اللازم وفشل.”

لكنها فاجأت المهندسين الذين توقعوا على الأقل بعض الإخفاقات عندما تم نشرها أخيرًا ، وإرسال البيانات ، وبدء العمل. كيث باريش متوقف عن العمل ويعمل في مشاريع أخرى في جودارد.

يقول: “أعتقد أن ويب هو إنجاز عظيم لما يعنيه أن تكون حضارة متقدمة”.

تحديث: 26 يوليو 2022: يتم تحديث القصة بحيث لا يتم “إلغاء” الجاذبية عند نقطة لاغرانج L2 (كما ذكر سابقًا في القصة) ، ولكن تتم إضافتها فعليًا بحيث يدور الجسم في مدارات L2 مع نفس الفترة المدارية تمامًا. الأرض — أي 365.256 يومًا.

من مقال على موقعك

مقالات ذات صلة على الويب