En kunstners opfattelse (2015) af hvordan James Webb-rumteleskopet vil se ud, når det er komplet og med succes implementeret. Billedkredit: Northrop Grumman.

Et bag kulisserne ser på bygningen af ​​det største teleskop af alle

Sådan blev James Webb-rumteleskopet lavet.

”På den ene eller anden måde må de første stjerner have påvirket vores egen historie, begyndende med at røre alt sammen og fremstille de andre kemiske elementer udover brint og helium. Så hvis vi virkelig ønsker at vide, hvor vores atomer kom fra, og hvordan den lille planet Jorden kom til at være i stand til at støtte livet, er vi nødt til at måle, hvad der skete i begyndelsen. ” -John Mather

Så vil du se længere tilbage i universet end nogensinde før? At opdage, hvordan det voksede op; at måle de første stjerner og galakser; at se det på en ny måde og med højere præcision end nogensinde før? I princippet er det en ligetil udfordring. Bare opbyg et større primært spejl for at samle mere lys end nogensinde før, følsom over for længere bølgelængder af lys end Hubble for at se det tidligste lys strakt af det ekspanderende univers med en række avancerede instrumenter til at maksimere informationen indsamlet fra lyset, afkølet til kryogene temperaturer for at minimere forurening. Åh, og gør det hele i rummet, på en skala, du aldrig har gjort det før. Det er ikke kun videnskab og de videnskabelige instrumenter, der får dig der, men en bemærkelsesværdig teknisk historie om, hvordan man kan forudse det ukendte og komme til udfordringen. For at komme dertil, er du nødt til at se tingene anderledes end hvordan selv en videnskabsmand ville se dem. Jeg havde en chance for at sætte mig ned med Jon Arenberg, chefingeniør for Northrup Grummons James Webb-rumteleskop, og få et hint om præcis, hvordan dette fungerer gennem hans øjne.

Lanceringen af ​​STS-93, rumfærgen Columbia, i 1999. Billedkredit: NASA.

Se på billedet ovenfor, og hvad ser du? Måske ser du rumfærgen. Måske ser du rumfærgen Columbia, der lanceres om natten. Men for Jon ser han noget andet: rumfærgen starter med sin satellit ombord på den. Før han begyndte at arbejde på James Webb, hjalp Jon med at bygge Chandra X-ray Observatory, der har fungeret med succes i de sidste 18 år. En af udfordringerne, som du ikke tænker på med et rumteleskop, er, at det skal passe ind i lanceringskøretøjet, hvilket lægger yderligere begrænsninger for fremstilling, montering, design af kabinet og elektromekanisk design af alt om bord. Du er nødt til at planlægge for hvert trin - stuvet design, lancering, dekomprimering, udrulning, udsættelse for rumvakuum og en levetid på operationer - helt fra begyndelsen. Og hvert projekt har sine egne unikke udfordringer.

Teknikere og videnskabsmænd tjekker et af Webb-teleskopets to første flyespejle i det rene rum på NASA's Goddard Space Flight Center. Billedkredit: NASA / Chris Gunn.

For James Webb-rumteleskopet ser det ud til, at enhver udfordring er unik. Teleskopets arkitektur er helt ny inden for rumfart. Den åbne arkitektur til afkøling, hvor håndværket er passivt afkølet og afskærmet mod solen, er nyt. Fem-lags solskærm er nyt og måtte designes fra bunden. Dette er det første multisegmenterede spejl i rummet, hvilket betyder, at design ikke kun er unikt, men implementeringen krævede også et helt nyt design. Og betjeningen af ​​teleskopet - udfoldelsesekvensen - er i sig selv et vidunder af teknik.

At designe og opbygge et teleskop som dette, der er fyldt med nye udfordringer, som menneskeheden aldrig før har været konfronteret med, er en udfordring i mere end bare teknisk forstand. Du skal estimere, hvor meget tid, penge og ressourcer du har brug for for at bygge dem. Du kan ikke stole på, at ting fungerer som du designet dem første gang; du kan ikke stole på, at dit indledende arbejde består alle stresstestene; du kan ikke stole på en glat integration med et system, der endnu ikke er designet. Du er nødt til at estimere de "ukendte ukendte", når du først designer dit budget, og du er nødt til at opbygge et team, der ikke kun udmærker sig i det, de gør, men som udmærker sig i at identificere og løse problemer, de ikke kunne have forventet, ville eksistere .

Videnskabsinstrumenterne ombord på ISIM-modulet sænkes og installeres i JWSTs hovedforsamling i 2016. Billedkredit: NASA / Chris Gunn.

Derudover når de forskellige komponenter alle deres færdigstadium på forskellige tidspunkter. De fire vigtigste videnskabelige instrumenter blev alle bygget uafhængigt af amerikanske, canadiske, europæiske og andre internationale partnere. ISIM-modulet blev bygget på Goddard og integrerer alle instrumenter med resten af ​​rumfartøjet. Den videnskabelige dusør i den nærmeste infrarøde, i spektroskopi, i evnen til at pege bedre end nogensinde før (til bedre end en milliondel af en grad) og i følsomhed vil være uden sidestykke. Men de andre komponenter - spejle, solskærm og samling - har alle også en række unikke udfordringer, som du måske aldrig har tænkt over at skulle møde.

Installation af det 18. og sidste segment af JWST-primærspejlet. De sorte omslag beskytter de guldbelagte spejlsegmenter. Billedkredit: NASA / Chris Gunn.

Spejle. Når du fremstiller et teleskopspejl på Jorden, kan du fremstille det under de samme betingelser, som du bruger det. Men i rummet, ved infrarøde bølgelængder, skal du fremstille en segmenteret struktur, der fungerer som en glat, enkelt overflade til en tolerance på 20 nanometer. Det skal være let for lancering, og det skal være strukturelt sundt. For at fremstille disse spejle fremstiller de en glat overflade ved stuetemperatur, men designe den til at have de nødvendige egenskaber ved temperaturer under flydende nitrogen. De fremstiller den under Jordens tyngdekraft, men på disse skalaer er endda deformationen af ​​tyngdekraften vigtig; spejle fungerer i rummet nul-tyngdekraft. De skaber den glatte, polerede, coatede overflade foran, men bearbejder 92% af bagsiden og skaber en 25 kvadratmeter stor overflade med kun 6,25 ton materiale: mere end syv gange større end Hubble, men kun 55% af Hubbles masse. Den grundlæggende udfordring er, at du kun kan foretage målinger i dine egne kontrollerede miljøer og orienteringer, men du er nødt til at fremstille spejle for at fungere under rumflyvningsforhold. Når du først har lavet de første vellykkede spejle - dem, der gennemgår alle prøver under driftsbetingelser - afvikles spejlerne, der kommer ud med en forbløffende regelmæssighed.

Den første succesrige udfoldelsesprøve af alle fem lag blev udført i 2014 og leverede værdifulde lektioner, der hjælper med at sikre JWST's succes under lancering og implementering. Billedkredit: Northrop Grumman / Alex Evers.

Solskærmen. Det er altid en udfordring at udvikle et helt nyt arkitektonisk element. Indtil JWST er alle infrarøde rumteleskoper aktivt afkølet: du henter noget kølevæske og sætter dit teleskop i en kryogen køler. Men dette teleskop er for stort til det! Så de designede og byggede i stedet en række lagdelte skjolde til permanent afskærmning af teleskopet mod solen: JWST vil have en "solside", som solskærmen og solpanelerne vender mod, og en "skyggeside", der huser alle instrumenter og spejle. Den varme ende af den varme side er 350 ° C (662º F) eller varm nok til at smelte bly, mens den kølige side i den anden ende af de fem lag skal være koldere end flydende nitrogen (77 K). Monumentale udfordringer inkluderede, hvordan man lufter ud varmen (ud af siderne), hvordan man evakuerer al luften under lanceringen uden at rive skjoldet, hvordan man laver huller, der justeres, mens den er stuvet, men ikke overlapper hinanden, mens den er indsat, og hvordan man kan folde solskærmen for at fjerne muligheden for en ulempe under indsættelsen. Det ultimative succesrige design var en kulmination og en kombination af moderne simuleringer / beregninger og gammeldags mønstre / sejle / kjole-fremstilling teknikker; det var en unik blanding af avanceret teknologi og kunst. I sidste ende er det kun fem lag belagt plast, men hvis det fungerer som designet, vil det holde James Webb i drift længe ud over den designede fem-årige levetid.

Den faste ISIM-radiator, der blev afsluttet lige sidste år, udstråler varme væk fra instrumentmodulet (ISIM), videnskabsinstrumenterne og varmestropperne. Billedkredit: NASA / Northrop Grumman.

Forsamlingen. Dette er, hvad du generelt tænker på som rumfartøjet i sig selv. Samlingen holder op på hele observatoriet ved lanceringen, det styrer og peger på alle de forskellige instrumenter, spejle, antenner og mere. Det er ansvarligt for de indsamlede, modtagne og transmitterede data; det er ansvarligt for håndtering og pegning af rumfartøjet. Men en unik udfordring, det står overfor, er at køre elektricitet gennem selve forsamlingen og flytte forskellige dele af rumfartøjet genererer varme, og det genererer varme på den forkerte side af solskærmen! Teleskopet peger væk fra solen, så du kan ikke dumpe din spildvarme der, mens der ikke er nogen skygge (og intet sted at dumpe varme) på den solvendte side. Løsningen involverede udvikling af en række nuancer for at beskytte de kritiske dele af observatoriet - de dele, der skal holdes køligt - fra de andre dele af rumfartøjet. Det var en af ​​de største spændinger, som en ingeniør kan opleve i deres karriere, med at finde, designe og udføre den ultimative løsning.

En lang række galakser i farve, morfologi, alder og iboende stjernepopulationer kan ses i dette dyb feltbillede. Billedkredit: NASA, ESA, R. Windhorst, S. Cohen, M. Mechtley og M. Rutkowski (Arizona State University, Tempe), R. O'Connell (University of Virginia), P. McCarthy (Carnegie Observatories), N. Hathi (University of California, Riverside), R. Ryan (University of California, Davis), H. Yan (Ohio State University) og A. Koekemoer (Space Telescope Science Institute).

Ja, videnskaben vil være utrolig. Som Garth Illingsworth sagde om dette teleskop, "vi vil lære mere på en dag fra James Webb Space Telescope end menneskeheden i øjeblikket ved" om de første galakser i universet. Ligesom “Hubble Key Project” ikke engang var det største fund, som Hubble Space Telescope lavede, måske med sine unikke evner, vil JWST afsløre endnu dybere hemmeligheder om universet end hvad vi ved at se efter. Om mindre end to år begynder vi at finde ud af det. Men uden teamet af ingeniører, der designede, byggede og udførte alt dette til udsøgt præcision, ville vi overhovedet ikke have noget af det. Og efter oktober 2018 får Jon Arenberg og alle, der arbejdede på James Webb, et nyt billede at dele.

En Ariane 5-raket på lanceringsfladen, lige inden en oktober 2014-lancering, vil være meget lig James Webbs lancering i oktober 2018. Billedkredit: ESA / CNES / Arianespace - Optique Video du CSG - P. Piron.

En Ariane 5-raket, der opsættes ved daggry, fører James Webb i fuldt sollys til sin destination: L2 Lagrange-punktet, ud over skyggen af ​​både Jorden og Månen. I kun 32 minutter er James Webb under batteristrøm; derefter udsættes solpanelerne, og det vil for evigt være i direkte sollys. Dens mission til at afsløre universet er begyndt, og enhver videnskabsmand og ingeniør, der har hjulpet med at designe og opbygge det, får deres festlige øjeblik i livet.

Dette indlæg blev første gang vist på Forbes og bringes til dig annoncefrit af vores Patreon-tilhængere. Kommenter til vores forum, og køb vores første bog: Beyond The Galaxy!