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Gli isolatori di vibrazioni a rigidità negativa di Minus K hanno permesso al telescopio spaziale James Webb di partire per la sua missione nello spazio

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Il James Webb Space Telescope (JWST) ha richiesto 30 anni, test estremi sotto vuoto criogenico e quasi 10 miliardi di dollari per essere sviluppato. È stato descritto come uno dei più grandi sforzi scientifici del 21° secolo

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Gennaio 2022
Gli isolatori di vibrazioni a rigidità negativa di Minus K hanno permesso al telescopio spaziale James Webb di partire per la sua missione nello spazio esterno
Il telescopio spaziale James Webb (JWST) ha richiesto 30 anni, test estremi sotto vuoto criogenico e quasi 10 miliardi di dollari per essere sviluppato. È stato descritto come uno dei più grandi sforzi scientifici del 21° secolo

Il lancio del JWST dalla Guyana francese a Natale 2021
Dopo oltre due decenni di sviluppo, il giorno di Natale del 2021 la NASA ha lanciato il James Web Space Telescope (JWST) dalla Guyana francese, sulla costa nord-orientale del Sud America. Il sito di lancio era vicino all'Equatore per dare la spinta in più necessaria a raggiungere il punto di osservazione del JWST in direzione anti-sole. Il punto di Lagrange 2 Sole-Terra (L2) si trova a quasi 1 milione di miglia (1,6 milioni di km) dalla Terra, direttamente dietro il pianeta. Un oggetto posizionato in L2 girerà intorno al Sole con la Terra senza rimanere indietro.

Separazione del JWST dal secondo stadio del razzo Ariane 5
Il secondo stadio del razzo Ariane 5 si è separato da JWST 27 minuti dopo il decollo. Poco dopo, a T+30 minuti dal lancio, JWST ha dispiegato i suoi pannelli solari e ha segnalato che la navicella è "power positive" Il telescopio spaziale James Webb ha dovuto volare nello spazio ripiegato, perché è troppo massiccio per entrare in qualsiasi razzo esistente nella sua forma finale. Sebbene il razzo Ariane 5 che lo ha trasportato nello spazio sia largo quasi 5,4 metri, non era ancora abbastanza grande per portare il JWST nello spazio completamente aperto. È stato quindi compattato a mo' di origami per poterlo inserire nel razzo.

JWST incapsulato nel vano del carico utile del razzo Ariane 5

Durante il viaggio di 29 giorni verso L2, JWST ha dovuto dispiegare i suoi 18 segmenti di specchio in berillio placcato oro utilizzando 132 attuatori. Ha dispiegato il suo schermo solare origami a cinque strati e si è raffreddato al di sotto dei 50K (Kelvin) (-223°C o -370°F). Il lato rivolto verso il sole sarà a circa 230F (110 C), mentre il lato freddo sarà a circa -394F (-236,6C o 36K). Il parasole a cinque strati impedisce alla luce solare di interferire con i sensibili strumenti del telescopio. Il telescopio opera a una temperatura di 50K (~-370F)

Questo lasso di tempo è stato soprannominato "30 giorni di terrore", in cui ci sono 344 potenziali guasti in un singolo punto del veicolo spaziale, l'80% dei quali sono associati ai meccanismi di dispiegamento. Il parasole, ad esempio, comprende 140 meccanismi di sgancio, 70 gruppi di cerniere, otto motori di dispiegamento, circa 400 pulegge e 90 cavi per un totale di 400 metri di lunghezza.

È stato difficile inserire una ridondanza completa in un meccanismo di sgancio. Nel corso degli anni sono stati effettuati diversi test di dispiegamento su modelli piccoli e grandi. Se qualcosa non andava bene durante il processo di dispiegamento, c'erano vari piani di emergenza per cercare di risolvere i problemi.

Durante la prima settimana del viaggio verso L2, gli schermi solari si sono aperti per raffreddare il telescopio. Durante la seconda settimana è stato dispiegato il radiatore di poppa, la struttura di supporto dello specchio secondario ed entrambe le ali dello specchio primario.

Il passo successivo è stato l'allineamento dei 18 singoli specchi che compongono lo specchio primario dell'osservatorio. L'attivazione e lo spostamento di ciascuno dei 18 segmenti dello specchio primario (che sono regolabili), una volta usciti dalla configurazione di lancio, è un'attività che richiede più giorni e più fasi.

I segmenti dello specchio primario sono mossi da sei attuatori collegati al retro di ogni pezzo di specchio, con un settimo attuatore situato al centro che regola la curvatura del segmento di specchio.

Lo specchio primario è la principale superficie di raccolta della luce di JWST. Rifletterà la luce allo specchio terziario situato sui bracci davanti al telescopio, che poi la farà rimbalzare negli strumenti di JWST. Ognuno dei 18 segmenti dello specchio primario è rivestito da uno strato d'oro lucido, ma sottilissimo. Se lasciati in posizione di lancio, si comporterebbero come telescopi individuali con immagini sfocate e poco chiare. Una volta allineati, i segmenti di specchio agiranno come un unico gigantesco specchio di 6,5 metri di diametro, il più grande mai realizzato nello spazio.

Il telescopio spaziale Hubble ha osservato galassie neonate fino a circa 400 milioni di anni dopo il big bang. Il JWST sarà in grado di vedere molto più lontano nel passato, fino a 100 milioni di anni dopo il big bang, un periodo in cui la maggior parte della materia consisteva solo di elementi primordiali e stava appena iniziando a coalizzarsi in stelle e galassie.


NASA GSFC CIL JWST nel rendering spazialeJWST osserverà alcuni degli oggetti più distanti dell'universo. Di conseguenza, nel suo viaggio di oltre 13 miliardi di chilometri, la luce degli oggetti diventa fortemente spostata verso il lato rosso dello spettro elettromagnetico. Gli specchi primari del JWST sono placcati in oro a 24 carati, perché l'oro riflette la luce rossa meglio di qualsiasi altro metallo. L'oro permette agli specchi di JWST di avere una riflettività del 98%, rispetto al tipico 85% degli specchi standard. Gli strati d'oro che rivestono gli specchi del telescopio hanno uno spessore di soli 1.000 atomi. Per rivestire l'intero specchio, largo circa 2 metri, è stata utilizzata una quantità d'oro pari a quella di una pallina da golf.

La temperatura operativa primaria del telescopio è di soli 50 gradi sopra lo zero assoluto (-459º F). Più la temperatura è fredda, meno atomi si muovono. Allo zero assoluto 0 gradi Kelvin, la temperatura più fredda possibile (-459º F), gli atomi essenzialmente smettono di muoversi del tutto. Pertanto, gli strumenti ad alta tecnologia a bordo del JWST opereranno quasi allo zero assoluto per decifrare i dati con precisione.

Il telescopio non funzionerà finché non si sarà raffreddato fino alla sua temperatura stabile. Poi, nei cinque mesi successivi, il telescopio sarà testato e calibrato per la sua missione scientifica, che inizierà a metà del 2022



Il coinvolgimento di Minus K nei test senza precedenti del JWST prima di entrare nello spazio
Tutti i test criogenici sotto vuoto del JWST sono stati eseguiti presso la Camera A del Johnson Space Center (JSC) della NASA. La Camera A è oggi la più grande camera di prova criogenico-ottica ad alto vuoto del mondo, famosa per aver testato le capsule spaziali della missione Apollo della NASA, con e senza equipaggio. Ha un diametro di 16,8 metri e un'altezza di 27,4 metri. La porta pesa 40 tonnellate e viene aperta e chiusa idraulicamente. L'aria contenuta nella camera pesa 25 tonnellate; quando tutta l'aria sarà rimossa, la massa rimasta all'interno sarà l'equivalente di metà di una graffa.
Per tre anni, gli ingegneri del JSC della NASA hanno costruito e rimodellato l'interno della camera per ottenere la temperatura necessaria per testare il telescopio spaziale James Webb. La camera A è stata dotata di un involucro di elio, a lato dell'involucro di azoto liquido esistente, in grado di abbassare la temperatura della camera a 11 gradi sopra lo zero assoluto (11 Kelvin, -439,9 Fahrenheit o -262,1 Celsius).

Un'aggiunta fondamentale alla Camera A è stata l'inserimento di una serie di sei isolatori di vibrazioni a rigidità negativa personalizzati dalla Minus K Technology. Gli isolatori passivi Minus K non richiedono aria o elettricità e offrono un isolamento migliore rispetto ai sistemi di isolamento ad aria e attivi. Un fattore importante nella scelta degli isolatori di vibrazioni è stato il fatto che essi non solo isolano le vibrazioni verticali, ma anche quelle orizzontali a meno di 1 Hz.

Il JWST è stato progettato per lavorare nello spazio, dove le perturbazioni sono altamente controllate e provengono solo dalla navicella spaziale, mentre sulla Terra tutte le perturbazioni a terra, come le pompe e i motori, e persino il traffico possono influenzare i test. Gli isolatori di vibrazioni Minus K hanno fornito un isolamento dinamico dalle fonti di vibrazione esterne per creare un ambiente di disturbo simile a quello di volo.

Gli isolatori utilizzano il dispositivo di compensazione Thermal Responsive Element (TRE) brevettato da Minus K, un dispositivo meccanico passivo che non richiede aria o elettricità, proprio come gli isolatori. Il compensatore TRE ha regolato gli isolatori al variare della temperatura durante i test al JSC, mantenendo il JWST nella posizione corretta.

La Critical Design Review per il sistema di isolamento delle vibrazioni Spacecraft-to-Optical Telescope Element è stata completata un mese prima del previsto, alla fine del 2011. I sei isolatori di vibrazioni a rigidità negativa Minus K sono stati installati sulla parte superiore (come mostrato nel grafico sottostante) della Thermal Vacuum Chamber A del Johnson Space Center nel marzo 2014.

Il JWST aveva bisogno di una struttura di supporto all'interno della camera a vuoto per sostenere le apparecchiature per i test. Gli ingegneri hanno installato una massiccia piattaforma d'acciaio sospesa ai sei isolatori di vibrazioni tramite barre d'acciaio lunghe circa 18,2 metri ciascuna e con un diametro di circa 1,5 pollici (38,1 mm), per sostenere il telescopio e le principali apparecchiature di test. La sofisticata apparecchiatura di prova del telescopio ottico comprendeva un interferometro, specchi piani autocollimanti e un sistema di fotogrammetria con fotocamere di "rilevamento di precisione", allineati con precisione all'interno della camera e isolati da qualsiasi fonte di vibrazioni, come il flusso di azoto ed elio all'interno delle tubature del mantello e il pulsare ritmico delle pompe del vuoto.

Affinché gli ingegneri potessero tenere d'occhio il JWST durante i test, altre apparecchiature di supporto per i test, tra cui spettrometri di massa, telecamere a infrarossi e telecamere, sono state collegate alla struttura di supporto che veniva sospesa e isolata dalle vibrazioni dagli isolatori a rigidità negativa Minus K.

I test del JWST Pathfinder sono stati pianificati in 3 campagne di test principali prima del test criogenico finale sotto vuoto degli elementi del telescopio ottico (OTE) completamente assemblati e del modulo integrato dello strumento scientifico (ISIM). I tre test Pathfinder sono OGSE1, OGSE2 e il "Thermal-Pathfinder" (TPF).

Le fasi dei test Pathfinder OGSE1, OGSE2, il 'Thermal-Pathfinder' (TPF) e gli elementi del telescopio ottico (OTE) e il modulo dello strumento scientifico integrato (ISIM) completamente assemblati, chiamati (OTIS)
Questi test sono stati incrementati fino a diventare più complessi per caratterizzare completamente l'impianto di prova, compresa la camera di prova criogenica e l'attrezzatura di supporto a terra (GSE). Gli articoli di prova "simili al volo" nell'ambito dei test Pathfinder sono stati progettati per comprendere i comportamenti termici all'interno dell'ambiente criogenico.

Il test OGSE1, della durata di 30 giorni, è stato completato nel maggio 2015 dopo che la Camera-A del JSC era stata messa in funzione con successo nel 2014 per l'utilizzo del JWST. Il test criovuoto OGSE2, della durata di 35 giorni, è stato completato nell'ottobre 2015 e tutti gli obiettivi primari, secondari e terziari del test sono stati raggiunti. Il completamento dell'OGSE2 ha segnato un'importante pietra miliare per il JWST. Questo test è stato il primo importante test criogenico con gli elementi ottici del telescopio di volo e un'apparecchiatura ottica specializzata alimentata a fibre. È stato il primo test con l'Aft-Optics-Subsystem (AOS) Source Plate Assembly o ASPA, progettato per illuminare le ottiche del telescopio attraverso i piani focali. Lo specchio terziario di volo (TM) e lo specchio di guida fine (FSM), confezionati in un pacchetto chiamato Aft-Optics-Subsystem, sono stati testati otticamente in una configurazione integrata nel loro ambiente criogenico operativo.

Nel giugno 2015, dopo i test OGSE1 e OGSE2 e prima del test "Thermal-Pathfinder" (TPF), L3Harris (ex ITT Exelis), che ha commissionato e installato i sei isolatori di vibrazioni a rigidità negativa sulla sommità della Camera A, ha effettuato delle regolazioni con l'assistenza di Minus K sugli isolatori della camera, impostandoli alla frequenza naturale di 0,5 Hz prevista. Questo ha permesso agli isolatori di fornire un miglioramento nella riduzione delle vibrazioni sui due segmenti dello specchio primario del test TPF.

Il test criogenico di 35 giorni del Thermal Pathfinder (TPF) è stato completato nell'ottobre 2016. Il TPF comprendeva due specchi di riserva in berillio (uno rivestito in oro) e dieci segmenti di prova in alluminio non rivestiti in oro che funzionavano come simulatori termici. Durante i test ottici gli specchi dovevano essere "sfasati" o allineati a una distanza inferiore alla lunghezza d'onda della luce, migliaia di volte più piccola dello spessore di un capello umano a una temperatura di centinaia di gradi sotto zero. Thermal Pathfinder è stato sottoposto a tutti i test termici e di vuoto che il JWST vero e proprio avrebbe dovuto affrontare nel 2017.

Il test finale di 93 giorni degli elementi del telescopio ottico JWST completamente assemblati e del modulo di strumenti scientifici integrati (OTIS) è iniziato nel luglio 2017. Ci sono voluti circa 10 giorni per estrarre l'aria dalla camera e poi circa un mese per abbassare le temperature del JWST e dei suoi strumenti scientifici ai livelli richiesti per i test.

Test di JWST OTIS Architettura e sottosistemi dell'attrezzatura di supporto a terra (GSA)

Questi test hanno incluso un'importante verifica dell'allineamento dei 18 segmenti dello specchio primario di JWST, per assicurarsi che tutti i segmenti esagonali placcati in oro si comportassero come un unico specchio monolitico. Per questo è stato necessario testare tutti i 132 attuatori esapodi per 6 gradi di libertà (DOF) e il raggio di curvatura di ciascun segmento dello specchio. È stata la prima volta che l'ottica del telescopio e i suoi strumenti sono stati testati insieme.

Il processo di collaudo del JWST è stato lungo e complesso. Le condizioni che incontrerà nel freddo vuoto dello spazio sono state simulate a terra, per garantire che le ottiche e gli strumenti funzionino perfettamente dopo il lancio. Questi test sono stati necessari perché JWST si troverà a quasi un milione di chilometri di distanza dalla Terra, in orbita a L2. Si tratta di una distanza troppo grande per poter effettuare riparazioni come nel caso del telescopio spaziale Hubble.