Randy Kimble nunca vai esquecer os dias em agosto de 2017, quando o furacão Harvey atingiu o Texas. Como um cientista de projeto para integração, teste e comissionamento do Telescópio Espacial James Webb (JWST), ele não tinha opção de se esconder em casa. O telescópio gigante, na época já 10 anos atrasado e consideravelmente acima do orçamento, estava bem no meio de uma de suas campanhas de teste de simulação de espaço de 100 dias no Johnson Space Center da NASA em Houston.
“O portão principal estava sob vários metros de água e o resto do centro foi fechado”, disse Kimble à Space.com. “Mas ainda havia uma rota de uma faixa de hotel naquela área e você podia entrar pelo portão dos fundos em Johnson. Em questão de dias, não ficamos sem nitrogênio líquido para manter o sistema de resfriamento funcionando. estava muito tenso. ”
Kimble trabalha no JWST desde 2009, depois de passar duas décadas desenvolvendo instrumentos para o predecessor do JWST, o Telescópio Espacial Hubble. Ainda assim, disse ele, os testes do JWST, realizados dentro da Câmara A de 12 metros de diâmetro (construída na década de 1960 para testar equipamentos para as missões Apollo em direção à lua), foram um destaque de carreira. Eles envolviam a redução da temperatura do telescópio para 390 graus Fahrenheit negativos (217 graus Celsius negativos) em que ele operaria, e em um vácuo semelhante ao do espaço.
“Os testes de crio-vácuo para o James Webb foram longos e exaustivos”, disse Kimble. “Levaria semanas apenas para esfriar tudo com segurança e, em seguida, aquecer novamente com segurança no final do teste. E no meio, quando você está com frio e estável, é quando você faz seus testes detalhados.”
Ao longo de um período de seis anos, várias campanhas de teste foram conduzidas com equipes trabalhando no local 24 horas por dia, 7 dias por semana, incluindo fins de semana e feriados, disse Kimble. Os quatro instrumentos científicos da espaçonave também foram testados separadamente, várias vezes, e o mesmo aconteceu com praticamente todas as partes do telescópio, o mais complexo, ousado e caro observatório espacial já construído.
Cerca de 30 anos em construção e com um preço final de US $ 10 bilhões, o Telescópio Espacial James Webb simplesmente não pode dar errado. O problema é que, no negócio espacial, é bastante fácil errar.
Lições do Hubble
Quando o Telescópio Espacial Hubble foi lançado em 1990, logo ficou óbvio que algo estava errado. As imagens que enviou para a Terra foram decepcionantes, borradas, longe do que os cientistas esperavam. O problema foi atribuído ao grande espelho do telescópio, que foi polido de maneira inadequada durante a fabricação. Uma missão de resgate envolvendo uma equipe de astronautas foi enviada para resolver o problema. O Hubble recebeu ‘óculos’ para corrigir sua miopia e se transformou na usina astronômica que desde então gerou milhares de imagens icônicas e cientificamente inestimáveis.
Com o Telescópio Espacial James Webb, as missões de resgate são impossíveis e, portanto, nenhuma falha é permitida.
“O James Webb Space Telescope é um protótipo e com protótipos, você sempre pode ter algo que dá errado”, disse Mark McCaughrean, consultor sênior para ciência e exploração da Agência Espacial Europeia (ESA) e cientista interdisciplinar do grupo de trabalho científico JWST. Space.com. “É por isso que o JWST é tão caro. Porque passamos duas décadas construindo e testando cada peça – um milhão de maneiras de fazer tudo para garantir que não haja problemas.”
Mas por que o James Webb tem que ser tão complexo? Uma missão mais simples não funcionaria tão bem? E por que não pode ser atendido por astronautas?
O fato é que a facilidade de manutenção nunca foi uma opção para o James Webb. A ciência que pretende oferecer, as profundezas do espaço que pretende vislumbrar, simplesmente não podem ser realizadas com uma espaçonave que os astronautas possam visitar (pelo menos não com as espaçonaves disponíveis atualmente).
A primeira máquina leve
O Telescópio Espacial James Webb, às vezes carinhosamente referido pelos astrônomos como a ‘primeira máquina de luz’, foi construído para ver as primeiras estrelas e galáxias que emergiram da poeira e do gás do universo primitivo, apenas alguns milhões de anos após o Big Bang .
Como essas estrelas e galáxias estão muito distantes, a luz visível que elas emitiam quando o universo tinha apenas algumas centenas de milhões de anos mudou para o infravermelho próximo e a parte infravermelha do espectro eletromagnético. Esse estranho efeito, conhecido como desvio para o vermelho no jargão astronômico, é resultado da expansão do universo e do efeito Doppler que se seguiu. É o mesmo efeito que distorce a frequência da sirene de uma ambulância que passa.
A radiação infravermelha é essencialmente calor e pode ser detectada com sensores especiais que são diferentes daqueles que detectam a luz visível. Como as estrelas e galáxias que o JWST foi projetado para estudar estão muito distantes, os sinais de entrada também são extremamente fracos. Os cientistas e engenheiros por trás do JWST precisaram enfrentar uma série de obstáculos técnicos para tornar essa tão esperada detecção possível.
Longe da terra
O Telescópio Espacial Hubble, embora originalmente projetado para detectar apenas a luz visível do universo (aquela em comprimentos de onda que o olho humano pode processar), foi em 1997 equipado com detectores infravermelhos de última geração durante a segunda missão de serviço; esses sensores foram atualizados posteriormente, quando uma nova tecnologia se tornou disponível. Mesmo assim, a astronomia infravermelha foi uma reflexão tardia óbvia para o Hubble, e o telescópio claramente não foi otimizado para sentir o calor do universo mais distante.
O Hubble orbita a Terra a uma altitude de 340 milhas (545 quilômetros). Além de ser regularmente atingido pela luz solar direta, o Hubble também absorve o calor da Terra. Como resultado, seus detectores infravermelhos ficam bastante deslumbrados com o calor do próprio telescópio e ele simplesmente não consegue ver essas galáxias tênues e distantes.
“Se você quer um telescópio infravermelho realmente sensível, ele precisa ser muito frio”, disse McCaughrean. “E para ficar realmente frio, você precisa sair da Terra.”
E o Telescópio Espacial James Webb estará realmente longe da Terra, a cerca de 1 milhão de milhas (1,5 milhão de km) de distância. Isso é mais de quatro vezes mais longe do que a lua. O telescópio irá orbitar o sol, enquanto simultaneamente faz pequenos círculos ao redor do chamado ponto de Lagrange 2 (L2) – um ponto no eixo sol-Terra constantemente escondido do sol pelo planeta. Em L2, a atração gravitacional do Sol e da Terra mantém a espaçonave alinhada com os dois grandes corpos.
Mas mesmo isso não tornaria o James Webb frio o suficiente para cumprir sua missão.
SPF 1 milhão
A maior peça da espaçonave – e sem a qual a missão seria impossível – é sua proteção solar do tamanho de uma quadra de tênis, feita de cinco camadas de um material de cobertura espacial revestido de alumínio chamado kapton.
A proteção solar irá se desenrolar no espaço antes que o telescópio alcance seu destino em uma das partes mais estressantes da sequência de pós-lançamento da espaçonave.
“O protetor solar é de longe a coisa mais crítica para a missão”, disse McCaughrean. ?Se não se desdobra totalmente, o telescópio não funciona. Obviamente, já o dobramos e desdobramos muitas vezes no solo, mas nada como isso já havia voado no espaço antes, e a falta de gravidade simplesmente muda as coisas. ”
A proteção solar é o único mecanismo de resfriamento do Telescópio Espacial James Webb. Aninhados atrás dele, os espelhos e os quatro instrumentos nunca antes voados permanecerão muito abaixo de zero a 390 graus Fahrenheit (menos 217 graus Celsius). O lado voltado para o sol, por outro lado, estará incrivelmente quente – até 230 graus F (128 graus C).
“O protetor solar é como um protetor solar com FPS de pelo menos um milhão em termos de quanto ele atenua a energia solar”, disse Kimble, então cientista do projeto de teste e integração que enfrentou o furacão Harvey com o JWST. “Isso nos permite resfriar passivamente o frio o suficiente para que [as observações] não sejam limitadas pelo brilho do telescópio.”
O protetor solar não é um simples guarda-sol; muita engenharia inteligente foi aplicada em seu design. As cinco camadas do material kapton ultraleve são espaçadas com precisão de modo que o calor absorvido por cada camada seja perfeitamente irradiado da espaçonave através das aberturas. Embora superfino e ultraleve, o material também é incrivelmente resistente, o suficiente para sobreviver ao bombardeio de meteoritos.
Espelho gigante
Para fazer o que foi projetado para fazer, o Telescópio Espacial James Webb realmente não poderia ser pequeno. O Telescópio Espacial Hubble, com seu espelho de 2,4 metros de diâmetro, não conseguiu detectar essas galáxias distantes, mesmo que fosse tão frio quanto o James Webb.
“Se você quiser ver essas galáxias distantes e fracas, precisará coletar mais luz”, disse Kimble. “E assim, o simples fato de que o espelho do James Webb coleta de seis a sete vezes mais fótons em um determinado período de tempo [do que o Hubble] dá a você uma vantagem significativa.”
A capacidade de um telescópio de coletar luz aumenta com o quadrado do tamanho de seu espelho, explicou McCaughrean. Com seu espelho de 6,5 m, o James Webb não só será capaz de obter imagens mais nítidas e profundas do universo do que aquelas que tornaram o Hubble famoso, mas também o fará em uma fração do tempo exigido pelo Hubble.
“Parte do trabalho de campo profundo que Hubble fez, eles olhariam em um determinado campo por algumas semanas”, disse Kimble. “o James Webb pode atingir esse tipo de limite de sensibilidade em sete ou oito horas.”
Muito grande para o espaço?
Mas aí vem outro desafio. Como você levanta algo do tamanho de uma quadra de tênis com um espelho de 21 pés para o espaço?
O Telescópio Espacial Hubble, que mede 44 pés de comprimento (13,2 m) e no máximo 14 pés (4,2 m) de largura, se encaixou perfeitamente na baía de carga útil de 60 pés (18,3 m) e 15 pés de largura (4,6 m) de o ônibus espacial Discovery, a partir do qual o telescópio foi implantado em 1990.
Mas a maior carenagem de foguete disponível quando o James Webb foi projetado era o foguete europeu Ariane 5, e o espelho do telescópio tem mais de 1 m de largura demais para caber. Portanto, para o James Webb, chegar ao espaço requer dobrar e desdobrar. O espelho e o protetor solar, bem como os painéis solares e antenas usuais, devem estar todos bem arrumados para o lançamento do telescópio.
Origami dourado leve
O espelho, feito de 18 segmentos hexagonais, cada um com 1,32 m de diâmetro, desmorona como um origami para o lançamento. Uma vez no espaço, esses elementos se desdobram, travando juntos. O quebra-cabeça é tão bem ajustado que, assim que o espelho estiver totalmente alinhado, as costuras entre os segmentos individuais ficarão perfeitamente lisas.
Alinhar o espelho uma vez no espaço será uma tarefa intrincada de vários meses, contando com uma das câmeras a bordo da espaçonave, o instrumento NIRCam.
“Alinhar esses segmentos de espelho para fazer deles um formato de espelho suave e contínuo será fascinante”, disse Kimble, que supervisionará essas operações nunca antes conduzidas. “No início, iremos produzir 18 imagens separadas com o NIRCam; no final, teremos uma única bela imagem”.
O NIRCam, disse McCaughrean, assim como muitos outros componentes do telescópio, simplesmente não pode falhar.
“Se o NIRCam falhar, você não conseguirá alinhar o telescópio”, disse McCaughrean. “É por isso que há muita redundância nele. Ele tem dois sistemas de câmeras completamente separados, então se um falhar, você tem o outro.”
Na parte de trás dos 18 segmentos de espelho hexagonal estão pequenos motores que delicadamente pressionam as placas, deslocando-as e dobrando-as com extrema precisão até que elas criem um espelho gigante perfeitamente liso.
“Isso significa movimento no nível de nanômetros”, disse McCaughrean. Existem 25,4 milhões de nanômetros em uma polegada. “É incrivelmente complicado. E é por isso que demoramos tanto para colocar o telescópio em funcionamento. Lançamos no final de dezembro, mas as primeiras imagens não chegarão até o verão de 2022 porque leva muito tempo para alinhar tudo. ”
O espelho também precisava ser extremamente leve. Se os engenheiros simplesmente escalassem o espelho de vidro de 2,5 metros do Telescópio Espacial Hubble para construir o espelho de 6 metros do James Webb, o telescópio seria pesado demais para ser erguido por qualquer foguete existente.
Da forma como está, o espelho do James Webb tem apenas um décimo da massa do espelho do Hubble, com cada um dos 18 segmentos hexagonais, feitos de metal ultraleve de berílio, pesando apenas 46 libras (20 quilos). A espaçonave inteira, apesar de seu enorme tamanho, pesa apenas 6,5 toneladas métricas em comparação com as 11,1 toneladas métricas do Hubble, que é menor.
A superfície do espelho é banhada a ouro, conferindo-lhe o tom amarelo característico. “A cor dourada foi escolhida porque é a melhor para refletir a radiação infravermelha, muito melhor do que o branco ou prata”, diz McCaughrean.
A luz refletida pelo espelho gigante é então concentrada no espelho secundário de 30 polegadas (74 centímetros) que fica em frente ao grande espelho preso a um tripé dobrável que também deve ser implantado no espaço. A partir daí, a luz entra por uma abertura no centro do grande espelho no telescópio, onde um espelho terciário a envia aos detectores.
Emoção prolongada
O lançamento do Telescópio Espacial James Webb está agendado para sábado (25 de dezembro). O dia do lançamento será um grande momento para os milhares de engenheiros e cientistas que estiveram envolvidos na missão desde sua concepção no início dos anos 1990.
Mas mesmo após o lançamento, o telescópio, que levou tantas pessoas e tantas tecnologias ao seu limite, não permitirá que descansem. O lançamento será o início do que Kimble descreveu como “emoção estendida”, um período de seis meses de implantações graduais, resfriamento, ativação, alinhamento e teste.
“Nas primeiras semanas, durante nossa jornada para L2, veremos as principais implantações”, disse Kimble. “O protetor solar, o espelho, o tripé de suporte do espelho secundário, as asas solares. O telescópio se construirá como um origami.”
Em uma coletiva de imprensa realizada em 2 de novembro, Mike Menzel, engenheiro de sistemas de missão chefe da missão James Webb no Centro de Vôo Espacial Goddard da NASA, disse que 144 mecanismos de liberação devem funcionar conforme planejado para que a implantação seja bem-sucedida.
“Há 344 itens de ponto único de falha em média”, disse Menzel na entrevista coletiva. “Aproximadamente 80% deles estão associados à implantação.”
Assumindo que todas as suas implantações funcionem conforme o planejado, o James Webb estará empoleirado em L2 aproximadamente um mês após o lançamento, escondido atrás de seu protetor solar gigante. Em seguida, o telescópio realizará o procedimento testado por Kimble em Houston durante o furacão Harvey – resfriando lentamente até sua temperatura operacional enquanto testa seus instrumentos e alinha seus espelhos.
“Podemos fazer alguns alinhamentos mais ásperos durante a descida, à medida que o sistema está esfriando”, disse Kimble. “Nesse estágio, as estruturas ainda estarão se movendo um pouco por causa do resfriamento e do encolhimento, então o ajuste final só pode ser feito depois que atingirmos a estabilidade da temperatura”, 100 a 120 dias após o início da missão.
Para Kimble, esses meses representarão o auge de sua carreira, garantindo que ele “esteja saindo com força”, disse ele. Depois de mais de quatro décadas trabalhando nos mais avançados telescópios espaciais, o cientista disse que está pronto para entregar a magnífica primeira máquina de luz para outros após o fim de seu período de comissionamento estressante.
“Vai ser muito, muito intenso”, disse ele.
Publicado em 22/12/2021 11h32
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