El parasol del Telescopio Espacial James Webb (JWST) es un sistema de control térmico pasivo desplegado después del lanzamiento para proteger el telescopio y la instrumentación de la luz y el calor del Sol , la Tierra y la Luna . Al mantener el telescopio y los instrumentos en sombra permanente, les permite enfriarse a su temperatura de diseño de 40 kelvin (-233 °C; -388 °F). Su intrincado despliegue se completó con éxito el 4 de enero de 2022, diez días después del lanzamiento, cuando se encontraba a más de 0,8 millones de kilómetros (500.000 millas) de la Tierra. [1] [2]
El parasol JWST mide aproximadamente 21 m × 14 m (69 pies × 46 pies), aproximadamente el tamaño de una cancha de tenis, y es demasiado grande para caber en cualquier cohete existente. Por lo tanto, se dobló para caber dentro del carenado del cohete de lanzamiento y se desplegó después del lanzamiento, desplegando cinco capas de plástico recubierto de metal. La primera capa es la más grande y cada capa consecutiva disminuye de tamaño. Cada capa está hecha de una fina membrana Kapton (50 micras para la primera capa, 25 micras para las demás) recubierta con aluminio para mayor reflectividad. Las capas más externas orientadas al Sol tienen una capa de silicio dopado que le da un color púrpura, endurece el escudo y le ayuda a reflejar el calor. [3] El espesor del recubrimiento de aluminio es de aproximadamente 100 nanómetros, y el recubrimiento de silicio es aún más delgado, de aproximadamente 50 nanómetros. [4] El segmento de parasol incluye las capas y sus mecanismos de despliegue, que también incluye la solapa embellecedora. [5] [6]
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Para realizar observaciones en el espectro infrarrojo cercano y medio, el JWST debe mantenerse muy frío (menos de 40 K (-233 °C; -388 °F)), de lo contrario, la radiación infrarroja del propio telescopio abrumaría sus instrumentos. Por lo tanto, utiliza un gran parasol para bloquear la luz y el calor del Sol, la Tierra y la Luna, y su posición cerca del punto de Lagrange L 2 Sol-Tierra mantiene los tres cuerpos en el mismo lado de la nave espacial en todo momento. [7] Su órbita de halo alrededor de L 2 evita la sombra de la Tierra y la Luna, manteniendo un entorno constante para el escudo solar y los paneles solares. [8]
El infrarrojo es radiación de calor. Para poder ver el tenue resplandor del calor infrarrojo de estrellas y galaxias distantes, el telescopio tiene que estar muy frío. Si la luz del sol o el cálido resplandor de la Tierra calentaran el telescopio, la luz infrarroja emitida por el telescopio eclipsaría sus objetivos y no podría ver nada.
— Científico adjunto del proyecto de la NASA para el Telescopio Webb en Goddard, 2008 [9]
El parasol actúa como una gran sombrilla que permite que el espejo principal, la óptica y los instrumentos se enfríen pasivamente a 40 kelvin (−233 °C; −388 °F) o menos, [6] y es una de las tecnologías habilitadoras que permitirá al JWST para operar. [10] El parasol en forma de cometa mide aproximadamente 21 por 14 metros (69 por 46 pies), [11] lo suficientemente grande como para dar sombra al espejo principal y al espejo secundario, dejando solo un instrumento, el MIRI (Instrumento de infrarrojo medio) , que necesita refrigeración adicional. [6] El parasol actúa como un radiador con ranura en V y provoca una caída de temperatura de 318 K (318 °C, 604 °F) [12] de adelante hacia atrás. [11] En funcionamiento, el escudo recibirá alrededor de 200 kilovatios de radiación solar, pero sólo pasará 23 milivatios al otro lado. [13] [11]
El parasol tiene cinco capas para mitigar la conducción del calor. [6] Estas capas están hechas de la película de poliimida Kapton E , que es estable de -269 a 400 °C (-450 a 750 °F). [3] [6] Sin embargo, las películas delgadas son delicadas: los desgarros accidentales durante las pruebas en 2018 fueron uno de los factores que retrasaron el proyecto JWST, [14] y se sabe que Kapton se degrada después de una exposición prolongada a las condiciones de la Tierra. [15] La capa que mira al sol tiene 0,05 mm (0,002 pulgadas) de espesor y las otras capas tienen 0,025 mm (0,001 pulgadas) de espesor. [3] Todas las capas están recubiertas en ambos lados con 100 nm de aluminio , y los lados orientados al sol de las dos capas más externas también están recubiertos con 50 nm de silicio " dopado " con otros elementos. [6] [3] Esto ayuda al material a sobrevivir en el espacio, irradiar exceso de calor y conducir electricidad, por lo que no se acumula una carga estática en las capas. [6]
Cada capa tiene una forma y un tamaño ligeramente diferentes. [6] La capa 5 es la más cercana al espejo primario y es la más pequeña. La capa 1 está más cerca del Sol y es más grande y plana. [6] La primera capa bloquea el 90% del calor, y cada capa sucesiva bloquea más calor, que se refleja en los lados. [6] [16] El parasol permite que la óptica permanezca en la sombra para ángulos de inclinación de +5° a −45° y ángulos de balanceo de +5° a −5°. [10] Las capas están diseñadas con Thermal Spot Bond (TSB), con un patrón de cuadrícula adherido a cada capa a intervalos. [6] Esto ayuda a evitar que un desgarro o un agujero aumente de tamaño en caso de que ocurra. [6]
Northrop Grumman diseñó el parasol para la NASA. [17] El parasol está diseñado para plegarse doce veces para que quepa dentro de la cubierta del cohete Ariane 5 de 4,57 m (15,0 pies) de diámetro por 16,19 m (53,1 pies). Cuando se desplegó en el punto L2, se desplegó a 21,197 m × 14,162 m (69,54 pies × 46,46 pies). El parasol se ensambló a mano en ManTech (NeXolve) en Huntsville, Alabama, antes de ser entregado a Northrop Grumman en Redondo Beach, California para su prueba. [18] Durante el lanzamiento, se envolvió alrededor del elemento del telescopio óptico y luego se desplegó. [11] Se planeó desplegar el parasol aproximadamente una semana después del lanzamiento. [19] Durante el desarrollo, el material de la capa de protección solar se probó con calor, frío, radiación y microimpactos de alta velocidad. [9]
Los componentes del parasol incluyen: [20]
Los conjuntos de bloqueo de lanzamiento del bípode son donde el segmento del parasol se conectaba al OTE cuando se plegaba durante el lanzamiento. [20] Hay seis barras separadoras que se expandieron para separar las capas del parasol, que tiene aproximadamente seis lados. [20]
El segmento del parasol también incluye una aleta decorativa al final del brazo de despliegue del parasol. [5] Esto también se llama pestaña de ajuste de impulso. [20] La pestaña de compensación ayuda a equilibrar la presión solar causada por los fotones que golpean el protector solar. Si esta presión es desigual, la nave espacial tenderá a girar, lo que requerirá que sus ruedas de reacción (ubicadas en el autobús de la nave espacial ) corrijan y mantengan la orientación del JWST en el espacio. Las ruedas de reacción, a su vez, acabarán saturándose y necesitarán combustible para desaturarse, lo que podría limitar la vida útil de la nave espacial. La pestaña de compensación, al ayudar a mantener la presión equilibrada y, por lo tanto, limitar el uso de combustible, extiende la vida útil del telescopio. [5] [20] [21] [22]
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Las capas están diseñadas para que el Sol, la Tierra y la Luna brillen en la capa uno casi exclusivamente, a veces una pequeña porción de la capa dos, y por otro lado, los elementos del telescopio solo ven la capa cinco y, a veces, una pequeña cantidad de la capa cuatro. [20] La separación entre capas, en el vacío del espacio, evita la transferencia de calor por conducción y ayuda a irradiar calor fuera del camino. [23] El dopaje con silicio del material provoca el tono púrpura. [23]
El componente del protector solar se adhiere a la nave espacial principal y sus brazos se expanden hacia afuera extendiendo el escudo térmico y separando las capas. [24] Durante el lanzamiento, el escudo se pliega; luego, cuando está en el espacio, se despliega con cuidado. [24] Cuando el parasol está completamente abierto, mide 14,6 metros (48 pies) de ancho por 21,1 metros (69 pies) de largo. [20] Cuando las capas están completamente abiertas, se abren más en los bordes, lo que ayuda a reflejar el calor. [20]
La estructura/dispositivos de despliegue del protector solar incluyen: [23]
Hay dos desplegables de vástago dentro de los brazos telescópicos. [23] Se trata de motores eléctricos especiales que, cuando se accionaban, extendían el brazo telescópico y sacaban el parasol plegado. [23] Los brazos telescópicos se denominan MBA o conjuntos de brazo medio. [20] Al final de cada MBA hay una barra separadora.
Después de un lanzamiento exitoso el 25 de diciembre de 2021 desde el Centro Espacial de Guayana , el despliegue posterior al lanzamiento del parasol JWST se desarrolló de la siguiente manera.
El 31 de diciembre de 2021, el equipo de tierra del Instituto Científico del Telescopio Espacial en Baltimore, Maryland, comenzó el despliegue de los dos "plumas intermedias" telescópicas desde los lados izquierdo y derecho del observatorio, sacando las cinco membranas del parasol de sus plegadas. estiba en los palés de proa y popa, que fueron bajados tres días antes. [25] El despliegue del brazo del lado izquierdo (en relación con la dirección de orientación del espejo principal) se retrasó cuando el control de la misión no recibió inicialmente la confirmación de que la cubierta del parasol se había enrollado completamente. Después de analizar datos adicionales para confirmarlos, el equipo procedió a extender los auges. [26] El lado izquierdo se desplegó en 3 horas y 19 minutos; el lado derecho tardó 3 horas y 42 minutos. [26] [25] Con ese paso, el parasol de Webb se asemejó a su forma completa, en forma de cometa, y se extendió hasta su ancho total de 47 pies. A continuación seguirían las órdenes para separar y tensar las membranas. [25]
Después de tomarse libre el día de Año Nuevo, el equipo de tierra retrasó el tensado del parasol un día para dar tiempo a optimizar la producción de energía del conjunto de paneles solares del observatorio y ajustar la orientación del observatorio para enfriar el parasol ligeramente más caliente de lo esperado. motores de despliegue. [27] El tensado de la capa uno, la más cercana al Sol y la más grande de las cinco del parasol, comenzó el 3 de enero de 2022 y finalizó a las 15:48 horas. EST. [28] El tensado de la segunda y tercera capa comenzó a las 4:09 p.m. EST y tardó 2 horas y 25 minutos. [29] El 4 de enero de 2022, los controladores tensaron con éxito las dos últimas capas, cuatro y cinco, completando la tarea de desplegar el parasol JWST a las 11:59 a. m. EST. [30]
Cuando desembalamos el larguero en septiembre de 2014, descubrimos que después de 40 años, el Kapton® (el material brillante y arrugado que se puede ver a menudo en los satélites y, en este caso, el material negro que se puede ver en nuestras fotografías), estaba en muy malas condiciones.
