Co teleskop Webba ma wspólnego z puszką coli? Inżynierowie NASA wpadli na nietypowy pomysł

W tym artykule:

1. Dlaczego teleskop Webba musi być schłodzony
2. Pomysł zainspirowany puszką coli
3. Folia lżejsza od powietrza
4. Nieoczekiwana porażka
5. Teleskop Webba działa zgodnie z planem

Pracowałem przy pierwszym modelu Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba. Choć pewnie nie uwierzycie mi, gdy powiem, że pierwszą wersję osłon termicznych teleskopu mającego funkcjonować w temperaturze bliskiej zeru bezwzględnemu chcieliśmy rozpiąć na czymś w rodzaju puszek po coca-coli. Naprawdę! Kluczowe było skonstruowanie osłon, które utrzymywałyby urządzenie w bardzo niskiej, dochodzącej do minus dwustu sześćdziesięciu siedmiu stopni Celsjusza temperaturze.

Dlaczego teleskop Webba musi być schłodzony

Teleskop musi pracować w takim chłodzie, ponieważ obserwuje przestrzeń w podczerwieni, a ta jest promieniowaniem cieplnym. Czyli jeśli chcemy rejestrować promieniowanie dawnych gwiazd, nie możemy zakłócać obrazu promieniowaniem podczerwonym Słońca czy Ziemi, no i przede wszystkim samego teleskopu. Musieliśmy wykombinować, jak to zrobić.

Tego typu osłona termiczna przypomina tarczę: jest srebrna i odbija promienie słoneczne. Szybko zrozumieliśmy, że nawet najlżejsza aluminiowa tarcza, ale o wielkości dwudziestu jeden na czternaście metrów, byłaby tak ciężka, że żadna rakieta nie wyniosłaby Webba na orbitę. Jak i z czego wykonać lekką konstrukcję, która rozłoży się w przestrzeni?

Teleskop Webba zarejestrował ślady czterech najstarszych galaktyk. Powstały 350 mln lat po Wielkim Wybuchu

W grudniu 2022 roku naukowcy poinformowali o odkryciu najdalszej, a tym samym najstarszej galaktyki, jakiej światło udało się zarejestrować. W nowym artykule opublikowanym w Nature ci sami bad...

Warstwa cienkiej folii do utrzymania kształtu też musi być rozpięta na jakimś stelażu. I znowu to samo: nawet najlżejsze pręty aluminiowe byłyby tak ciężkie, że żadna rakieta nie udźwignęłaby Webba. Co zrobić?

Pomysł zainspirowany puszką coli

W czasie lunchu rozmawiałem o tym z Martym, profesorem z Uniwersytetu w Kolorado. Marty właśnie otwierał coca-colę. Przyjrzał się bardzo wytrzymałej puszce wykonanej z cienkiego aluminium i niemal wykrzyknął: „Eureka!”. „Zróbmy to z długiej aluminiowej rury, którą zgnieciemy na płasko i zwiniemy w spiralę. Po nadmuchaniu rozwinie się jak papierowe gwizdki używane na imprezach urodzinowych” – powiedział. A my, choć nieco zaskoczeni pomysłem, po chwili zastanowienia przyklasnęliśmy mu.

Nasz plan szybko się rozwijał i już w pierwszym roku robiliśmy tak zwane testy w skali tej ultralekkiej konstrukcji. Złożyliśmy naszą aluminiową rurę jak wąż strażacki, po czym wpuszczaliśmy do niej powoli azot pod ciśnieniem, co rozprasowywało wszystkie zagięcia. Wyglądała wtedy jak piętnastometrowa puszka coca-coli. I nawet po wypuszczeniu gazu utrzymywała sztywność.

Wydawało się więc, że wszystko jest super. Rozwiązaliśmy problem! Teraz trzeba było tylko znaleźć odpowiednio cienką folię do rozpięcia na rusztowaniu z aluminiowych rurek i mamy to.

Folia lżejsza od powietrza

Chemicy i inżynierowie z JPL co tydzień produkowali coraz cieńsze folie pokryte srebrem o grubości zaledwie kilku atomów. Niedługo materiał był tak lekki i cienki, że można go było rozwinąć w powietrzu i wcale nie spadał na ziemię. Czasami nasze sale konferencyjne wyglądały, jakbyśmy byli w stanie nieważkości. Siedzieliśmy przy stole, a dookoła nas wisiały w powietrzu płaty folii. Folia latała sobie po sali w zależności od tego, kto głębiej oddychał!

W końcu mieliśmy wyjątkowo cienką folię i lekkie pompowane rurki. Zbudowaliśmy też całą konstrukcję. Test dużego modelu naszej osłony przeprowadziliśmy w hangarach ILC Dover, firmy, która konstruowała ogromne zeppeliny. Czyli statki powietrzne wyglądające jak gigantyczne piłki do rugby.

Nieoczekiwana porażka

Bardzo ostrożnie rozwijaliśmy naszą konstrukcję i aluminiowe rurki i z radością patrzyliśmy, jak całość pięknie się rozkłada, a osłona się napina. Mówiąc krótko – udało się! Przybiliśmy sobie piątki i zapanowała ogólna radość. Aby uczcić sukces, wybraliśmy się na kolację do najlepszej restauracji, jaką udało nam się znaleźć w Dover.

W Teleskop Webba uderzył meteoryt. NASA uspokaja

Miesiąc przed rozpoczęciem gromadzenia naukowych danych Teleskop Webba został trafiony mikroskopijnym odłamkiem skalnym. Uderzenie było silniejsze niż testy przeprowadzane na Ziemi. Konstrukt...

Jakież było nasze zdziwienie, gdy następnego dnia po wejściu do hangaru zamiast dumnie rozpiętego żagla zobaczyliśmy coś w rodzaju mokrego ręcznika rzuconego po treningu na ławkę… Ci, co znają się na metalurgii, wiedzą, że metale do pewnego momentu wyginania wracają do pierwotnego kształtu. Właśnie na tym bazował nasz pomysł z piętnastometrową puszką coli.

Ale ci, którzy wiedzą o metalurgii jeszcze więcej, zdają sobie też sprawę, że każdy metal ma swoją granicę plastyczności. My tę granicę chcieliśmy przekroczyć, aby rozciągnąć na „puszkach” folię. W kilku miejscach puszki nie rozciągnęły się wystarczająco i gdy azot wyciekł, konstrukcja się załamała.

Teleskop Webba działa zgodnie z planem

Później inżynierowie zdecydowali się na tuby wysuwane jedna z drugiej jak wędki teleskopowe. No i po krótkich dwudziestu pięciu latach od naszego testu mamy na orbicie teleskop Webba – najnowocześniejsze, najbardziej niezwykłe narzędzie astronomiczne zbudowane przez człowieka. A jakie zdjęcia przysyła!

Artur Chmielewski to polski inżynier kosmiczny pracujący w Jet Propulsion Laboratory NASA. Wraz z Eweliną Zambrzycką-Kościelnicką napisał książkę „Odważ się robić wielkie rzeczy. I ty możesz pracować w NASA”, wydaną przez wydawnictwo Prószyński i S-ka. Fragment tej książki, której patronuje National Geographic Polska, prezentujemy powyżej.

Odważ się robić wielkie rzeczy. I ty możesz pracować w NASA - Prószyński Media

Nasz ekspert

Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka

Dziennikarka i redaktorka zajmująca się tematyką popularnonaukową. Związana z magazynami portali Gazeta.pl oraz Wp.pl. Współautorka książek „Człowiek istota kosmiczna”, „Kosmiczne wyzwania” i „Odważ się robić wielkie rzeczy”.