תפיסה של אמן (2015) כיצד ייראה טלסקופ החלל ג'יימס ווב כאשר הוא יושלם ומושלם בהצלחה. קרדיט תמונה: נורת'רופ גרוממן.

מבט מאחורי הקלעים לבניית הטלסקופ הגדול מכולם

כיצד נוצר טלסקופ החלל ג'יימס ווב.

"בצורה כזו או אחרת הכוכבים הראשונים בוודאי השפיעו על ההיסטוריה שלנו, והתחילו לרגש את הכל ולהפיק את שאר היסודות הכימיים מלבד מימן והליום. אז אם אנחנו באמת רוצים לדעת מאיפה האטומים שלנו הגיעו וכיצד הכוכב הקטן כדור הארץ הגיע כדי להיות מסוגל לתמוך בחיים, אנחנו צריכים למדוד את מה שקרה בהתחלה. " ג'ון מת'ר

אז אתה רוצה לראות רחוק יותר ליקום מאי פעם? לגלות איך זה גדל; למדוד את הכוכבים והגלקסיות הראשונות; לראות את זה בדרך חדשה ובדיוק גבוה מאי פעם? באופן עקרוני זהו אתגר פשוט. פשוט בנה מראה ראשית גדולה יותר כדי לאסוף יותר אור מאי פעם, רגיש לאורכי גל ארוכים יותר מאשר האבל כדי לראות את האור הקדום ביותר שנמתח על ידי היקום המתרחב, עם סדרת מכשירים מתקדמים בכדי למקסם את המידע שאסף מהאור, התקרר. לטמפרטורות קריוגניות כדי למזער את הזיהום. אה, ועשו את הכל בחלל, בקנה מידה שמעולם לא עשיתם את זה לפני כן. לא רק מדע והמכשירים המדעיים יביאו אותך לשם, אלא סיפור הנדסי יוצא דופן כיצד לחזות את הלא נודע ולעלות לאתגר. כדי להגיע לשם, אתה צריך לראות את הדברים באופן שונה מאיך שאפילו מדענים היו רואים אותם. הייתה לי הזדמנות לשבת עם ג'ון ארנברג, המהנדס הראשי של טלסקופ החלל ג'יימס ווב של נורת'רופ גרומון, ולקבל רמז בדיוק למה זה עובד דרך העיניים שלו.

השקת ה- STS-93, מעבורת החלל קולומביה, בשנת 1999. קרדיט תמונה: נאס

התבונן בתמונה למעלה, ומה אתה רואה? אולי אתה רואה את מעבורת החלל. אולי אתה רואה את מעבורת החלל קולומביה, שמשיקה בלילה. אבל לג'ון הוא רואה משהו אחר: מעבורת החלל המשגרת עם הלוויין עליו. לפני שהחל לעבוד על ג'יימס ווב, ג'ון עזר לבנות את מצפה הרנטגן של צ'נדרה, הפועל בהצלחה במשך 18 השנים האחרונות. אחד האתגרים שאתה לא חושב עליהם באמצעות טלסקופ חלל הוא שהוא צריך להתאים לרכב השיגור, שמציב מגבלות נוספות על ייצור, הרכבה, עיצוב מארז ועיצוב אלקטרומכני של כל מה שעל הסיפון. עליכם לתכנן עבור כל שלב - תכנון, השקה, פירוק, פריסה, חשיפה לאקום המרחב וחיים שלמים של פעולות - מההתחלה. ולכל פרויקט יש אתגרים ייחודיים משלו.

טכנאים ומדענים בודקים את אחד משני מראות הטיסה הראשונות של הטלסקופ בחדר בחדר הנקי במרכז הטיסה בחלל גודארד של נאס

עבור טלסקופ החלל ג'יימס ווב, נראה שכל אתגר הוא ייחודי. הארכיטקטורה של הטלסקופ חדשה לחלוטין לטיסות החלל. הארכיטקטורה הפתוחה לקירור, שבה המלאכה מקוררת באופן פסיבי ומוגנת מפני השמש, היא חדשה. שמשת החמש שכבות היא חדשה, והיה צורך לעצב אותה מאפס. זהו המראה הרב-קטעי הראשון בחלל, כלומר לא רק שהעיצוב הוא ייחודי, אלא שהפריסה דרשה גם עיצוב חדש לחלוטין. ותפעול הטלסקופ - רצף ההתפתחות - הוא עצמו פלא של הנדסה.

תכנון ובניית טלסקופ כזה, מלא באתגרים חדשים שלא התמודדה לפני כן עם האנושות, הוא אתגר ביותר מסתם המובן ההנדסי. עליכם להעריך כמה זמן, כסף ומשאבים אתם זקוקים בכדי לבנות אותם. אתה לא יכול לסמוך על דברים שפועלים כמו שעיצבת אותם בפעם הראשונה; אינך יכול לסמוך על עבודתך הראשונית שתעבור את כל מבחני המתח; אינך יכול לסמוך על שילוב חלק עם מערכת שטרם תוכננה. אתה צריך לאמוד את "הלא נודע הלא ידוע" כשאתה מעצב לראשונה את התקציב שלך, ועליך לבנות צוות שלא רק מצטיין במה שהם עושים, אלא שמצטיין בזיהוי ופתרון של בעיות שלא היו יכולים לחזות שיהיה קיים .

מכשירי המדע שעל סיפון מודול ISIM מורידים ומותקנים במכלול הראשי של JWST בשנת 2016. קרדיט תמונה: נאס

בנוסף, המרכיבים השונים כולם מגיעים לשלב ההשלמה שלהם בזמנים שונים. ארבעת מכשירי המדע העיקריים נבנו כולם באופן עצמאי, על ידי שותפים אמריקאים, קנדים, אירופאים ואחרים. מודול ISIM נבנה בגודארד ומשלב את כל המכשירים עם שאר החלליות. השפע המדעי באינפרא אדום הקרוב, בספקטרוסקופיה, ביכולת להצביע טוב יותר מאי פעם (לטובת יותר ממיליון מעלות), וברגישות יהיה ללא תחרות. אך למרכיבים האחרים - המראות, השמשה וההרכבה - יש גם שלל אתגרים ייחודיים, שאולי אף פעם לא חשבתם להתמודד איתם.

התקנת הקטע ה -18 והאחרון במראה הראשית JWST. הכיסויים השחורים מגנים על קטעי המראה המצופים זהב. קרדיט תמונה: נאס

המראות /. כשאתה מייצר מראה טלסקופ על כדור הארץ, אתה יכול להכין אותו באותם תנאים שבהם אתה משתמש. אבל בחלל, באורכי גל אינפרא אדום, אתה צריך לייצר מבנה מפולח שפועל כמו משטח חלק ויחיד לסובלנות של 20 ננומטר. זה צריך להיות משקל קל לצורך ההשקה, והוא צריך להיות קול מבחינה מבנית. כדי ליצור מראות אלה, הם מייצרים משטח חלק בטמפרטורת החדר, אך מעצבים אותו כך שיהיו לו התכונות הדרושות בטמפרטורות מתחת לחנקן נוזלי. הם מייצרים אותו תחת כוח הכבידה של כדור הארץ, אך במאזניים אלה אפילו העיוות של כוח הכובד חשוב; המראות יפעלו בסביבת אפס הכבידה של החלל. הם יוצרים את המשטח החלק, המלוטש, המצופה בחלק הקדמי אך מכניסים 92% מהגב, ויוצרים משטח של 25 מ"ר עם 6.25 טונות חומר בלבד: גדול יותר משבע פעמים מהאבל, אלא רק 55% מ"האבל ". מסה. האתגר הבסיסי הוא שאתה יכול לבצע מדידות רק בסביבות ובאוריינטציות מבוקרות משלך, אך עליך לייצר את המראות כדי לפעול בתנאי טיסה בחלל. ברגע שאתה מבצע את המראות המוצלחות הראשונות - אלה שעוברות את כל המבחנים בתנאי הפעלה - המראות מסתיימות ויוצאות בסדירות מדהימה.

מבחן ההתגלגלות המוצלח הראשון מבין כל חמש השכבות נערך בשנת 2014, וסיפק שיעורים חשובים המסייעים להבטיח את הצלחת JWST במהלך ההשקה וההטמעה. קרדיט תמונה: נורת'רופ גרוממן / אלכס אברס.

שמשת השמש. זה תמיד אתגר לפתח אלמנט אדריכלי חדשני לחלוטין. עד JWST, כל הטלסקופים בחלל האינפרא אדום התקררו באופן פעיל: אתה מביא מעט נוזל קירור ומכניס את הטלסקופ לקירור קריוגני. אבל הטלסקופ הזה גדול מדי בשביל זה! אז במקום זאת הם עיצבו ובנו סדרה של מגנים שכבתיים כדי להגן על הטלסקופ לצמיתות מהשמש: ל- JWST יהיה "צד שמש" שפני השמש והפאנלים הסולאריים פונים אליו, ו"צד צל "המאכלס את כל המכשירים והמראות. הקצה החם של הצד החם הוא 350 מעלות צלזיוס, או חם מספיק כדי להמיס עופרת, ואילו הצד הקריר, בקצה השני של חמש השכבות, צריך להיות קר יותר מאשר חנקן נוזלי (77 K). אתגרים מונומנטליים כללו כיצד לפרוק את החום (מהצדדים), כיצד לפנות את כל האוויר במהלך השיגור מבלי לקרוע את המגן, כיצד ליצור חורים שמתיישרים בזמן שהוא מאוחסן אך אינם חופפים בזמן שהוא פרוס ואיך לקפל שמשת השמש בכדי לחסל את האפשרות להיתקע בזמן הפריסה. העיצוב המוצלח בסופו של דבר היה שיא ושילוב של הדמיות / חישובים מודרניים וטכניקות דפוס / מפרש / לבוש מיושן; זה היה שילוב ייחודי של טכנולוגיה מתקדמת ואמנות. בסופו של דבר מדובר בסך הכל בחמש שכבות של פלסטיק מצופה, אבל אם הוא יעבוד כמתוכנן, הוא ישמור על ג'יימס ווב לפעול הרבה מעבר לתוחלת החיים המתוכננת שלו לחמש שנים.

הרדיאטור הקבוע של ISIM, שהושלם רק בשנה שעברה, מקרין חום הרחק ממודול הכלים (ISIM), מכלי המדע ורצועות החום. קרדיט תמונה: נאס

האסיפה. זה מה שאתה חושב בדרך כלל כחללית עצמה. המכלול מרים את כל המצפה בזמן ההשקה, הוא שולט ומכוון את כל המכשירים, המראות, האנטנות השונות ועוד. זה אחראי לנתונים שנאספו, התקבלו והועברו; זה אחראי לטיפול וכיוון החללית. אבל אתגר ייחודי אחד שעומד בפניו הוא שהפעלת חשמל דרך המכלול עצמו והנעת חלקים שונים בחללית מייצרת חום, והיא מייצרת חום בצד הלא נכון של השמשה! הטלסקופ פונה מהשמש, כך שלא תוכלו לזרוק את חום הפסולת שלכם שם, בעוד שאין שום צל (ושום מקום לזרוק חום) בצד הפונה אל השמש. הפיתרון כלל פיתוח סדרת גוונים להגנה על החלקים הקריטיים של המצפה - החלקים שצריך לשמור על קור רוח - משאר חלקי החללית. הצלחת מציאת, תכנון וביצוע הפיתרון האולטימטיבי הייתה אחד הריגושים הגדולים ביותר שמהנדס יכול לחוות בקריירה שלהם.

ניתן לראות מגוון גדול של גלקסיות בצבע, מורפולוגיה, גיל ואוכלוסיות כוכבים מובנות בתמונה שדה עמוק זה. קרדיט תמונה: נאס

כן, המדע יהיה מדהים. כמו שאמר גארת 'אילינגסוורת' על הטלסקופ הזה, "אנו נלמד יותר ביום אחד מטלסקופ החלל ג'יימס ווב ממה שהאנושות יודעת כיום" על הגלקסיות הראשונות ביקום. בדיוק כמו ש"פרויקט מפתח האבל "אפילו לא היה הממצא הגדול ביותר שעשה טלסקופ החלל האבל, אולי עם יכולותיו הייחודיות, JWST יחשוף סודות עמוקים עוד יותר על היקום מאשר מה שאנחנו יודעים לחפש. בעוד פחות משנתיים, נתחיל לגלות. אבל בלי צוות המהנדסים שתכנן, בנה וביצע את כל זה בדיוק מדויק, לא היינו צריכים לעשות זאת בכלל. ואחרי אוקטובר 2018, לג'ון ארנברג ולכל מי שעבד על ג'יימס ווב תהיה תמונה חדשה שתשתף.

רקטה של ​​אריאן 5 על גבי השיגור, ממש לפני שיגור באוקטובר 2014, תהיה דומה מאוד לשיגור ג'יימס ווב באוקטובר 2018. קרדיט תמונה: ESA / CNES / Arianespace - Optique Video du CSG - P. Piron.

רקטה Ariane 5, המשוגרת עם שחר, תוביל את ג'יימס ווב באור שמש מלא ליעדה: נקודת L2 Lagrange, מעבר לצל של כדור הארץ וגם של הירח. במשך 32 דקות בלבד ג'יימס ווב יהיה תחת סוללה; לאחר מכן מערכי השמש נפרסים וזה יהיה לנצח באור שמש ישיר. המשימה שלו לחשוף את היקום תתחיל, וכל מדען ומהנדס שעזרו בתכנון ובנייתו יקבלו את הרגע החגיגי שלהם בחיים.

פוסט זה הופיע לראשונה בפורבס והוא מובא אליך ללא מודעות על ידי תומכי הפטרון שלנו. הגיבו לפורום שלנו, וקנו את ספרנו הראשון: מעבר לגלקסיה!