James Webb hat 344 Einzelfehler. Hier sind die 5 kritischsten Elemente

Nach mehr als einem Jahrzehnt der Verzögerungen ist das James Webb Space Telescope endlich bereit, tiefer in das Universum zu blicken – und weiter zurück in die Vergangenheit – als jedes Teleskop jemals. Alles, was Sie noch tun müssen, ist Webb sicher ins All zu bringenin seine Umlaufbahn … eine Million Meilen entfernt.

Das ist leider kein einfacher Vorgang.Patrick McNally, ein Luft- und Raumfahrtingenieur und Geschäftsführer des Space Physics Research Laboratory an der University of Michigan, sagte Interessante Technik | wissenschaft-x.com in einem Interview, das Webb vielleicht "das Herausforderndste, was wir je in den Weltraum gebracht haben", sein könnte. Wenn nicht, ist es "direkt dort oben bei der Raumstation [und] dem Hubble."

Aber im Gegensatz zu diesen Missionen muss Webb diese letzten Schritte seiner Reise ohne menschliche Hilfe zurücklegen. Sobald es gestartet ist, ist es von selbst.

Bei der Entwicklung von so etwas wie dem Webb-Teleskop führen Designer eine Liste von Elementen, die schwerwiegende, die Mission störende Konsequenzen haben würden, wenn eines von ihnen versagen sollte, so McNally, der nicht an der Webb-Mission arbeitet. Das Ziel istum diese Liste von "Einzelpunktfehlern" durch die Entwicklung von Backup-Systemen und Redundanzen so kurz wie möglich zu halten, aber Designbeschränkungen und Kosten bedeuten oft, dass einige Elemente auf der Liste bleiben müssen.

Die Galileo-Sonde, die McNally in den 1980er Jahren half, die NASA zum Jupiter zu schicken, hatte etwa 30 Einzelpunktfehler. Eine Marslandung hat mehr als 100. Webbs Liste der Einzelpunktfehler ist 344 Elemente lang. „Diejenigen, die es nicht sindbesorgt oder sogar erschrocken darüber, verstehen nicht, was wir zu tun versuchen“, schrieb Thomas Zurbuchen, Associate Administrator der NASA für das Science Mission Directorate. in einem Blogbeitrag.

Ein Grund, warum Webb so viele Fehlerquellen hat, liegt in der Natur des Instruments selbst. McNally merkt an, dass Designer vor einer gewaltigen Herausforderung standen, als es darum ging, Webb in seine Umlaufbahn zu bringen, die umlaufen wird.am Earth-Sun L2 Lagrange Point, eine Million Meilen 1,6 Millionen km entfernt, verglichen mit den 340 Meilen des Hubbles 550km. Das Team musste die Anforderungen eines leistungsstarken Infrarotteleskops mit den Beschränkungen der derzeit verfügbaren Raketen abwägen, um es in die Umlaufbahn zu bringen. Der Ansatz, den sie sich vorgenommen haben, besteht darin, Webb zum Start in die Nase einer Ariane-5-Rakete zu falten und dannLassen Sie es sich einmal im Weltraum entfalten, sozusagen wie ein Transformer.

Letztendlich sagt McNally, dass eine der größten Herausforderungen für Webb nicht die bloße Anzahl von Einzelfehlern ist, sondern dass so viele davon miteinander verbunden sinddass ein anderer Teil richtig ausklappen kann", sagte er.

Aber es ist alles andere als ein Schuss ins Dunkel. Ingenieure und Techniker haben Jahre damit verbracht, sich Szenarien auszudenken, Simulationen durchzuführen und jede letzte Komponente zu testen. Mehr als 10.000 Menschen haben seit Beginn des Projekts in irgendeiner Weise an Webb gearbeitet, so Die Washington Post. Und doch kann keine noch so große Vorbereitung die Sicherheit eines so ehrgeizigen Angebots für die Stars garantieren. Trotz des Budgets von 10 Mrd. US-Dollar und der Hoffnungen, Träume und Karrieren einer Generation von Astrophysikern auf dem Spiel, das Webb-Team hatte keine andere Wahl, als die extrem lange Liste von entscheidenden Momenten zu akzeptieren.

Hier ist eine Übersicht über die wichtigsten Herausforderungen, die Webb meistern muss, bevor das Teleskop Bilder zur Erde zurücksenden kann.

Webbs entfernte, einsame Umlaufbahn

Wie bereits erwähnt, wird Webb die Erde nicht wie Hubble umkreisen, nur 340 Meilen 550kmvon über dem Planeten. Stattdessen wird Webb eine enge Umlaufbahn um den Planeten haltenein Punkt namens L2, das ist 930.000 Meilen 1,5 Millionen km von zu Hause entfernt. L2 ist ein Ort, an dem sich die Schwerkraft der Sonne und der Erde auf eine Weise kombiniert, die es einem Satelliten ermöglicht, in der gleichen Position relativ zur Erde zu bleibensind eigentlich fünf solcher Punkte, aber Astronomen wählten L2, weil es Webb vor so viel Infrarotstrahlung auch bekannt als Hitze wie möglich schützt.

Seine weit verstreute Position im Sonnensystem bedeutet, dass Webb, sobald er im Weltraum ist, vollständig eigenständig funktioniert. Das ist besonders entmutigend, da der Hubble mehrere Male gewartet werden musste, bevor die Ingenieure ihn in den richtigen Zustand bringen konntenEs „wurde für die Wartung entwickelt“, sagte McNally, „aber wir wussten nicht, dass es so viel Wartung erfordern würde.“ Die NASA sagt, dass dies keine Option für Webb sein wirdkann für Missionen im Orbit von L2 verwendet werden, und daher ist das Webb-Missionsdesign nicht auf eine Wartungsoption angewiesen", so die Agentur. In diesem Punkt ist McNally optimistischer. "Dafür ist es nicht ausgelegt", sagte er, aber "Ich würde den Einfallsreichtum des Weltraumunternehmens nie unterschätzen", sagte er.

Die Sonnenblende

Webbs die größte Fläche ist die Sonnenblende. Bei mehr als 3.000 Quadratfuß ca. 280 Quadratmetern schützt die Sonnenblende Webb, sobald sie vollständig entfaltet ist, vor Infrarotstrahlung, die von Sonne, Erde und Mond ausgeht. Seine fünf dünnen Schichten aus Kapton, einem silbrigen leichtes Material mit besonderen thermischen Eigenschaften, erzeugt einen Temperaturunterschied von etwa 570 °F 316 °C zwischen seiner warmen Seite, die uns auf der Erde zugewandt ist, und der kalten Seite, die dem Teleskop zugewandt ist. Drei Tage nach dem Start werden die beiden "Paletten" mit demAuf beiden Seiten des Teleskops entfaltet sich eng gefaltetes Sonnenschutzmaterial wie zwei riesige Flügel.„Die müssen perfekt herauskommen, um an einem sicheren Ort zu sein, an dem die gesamte Form ausgebreitet werden kann“, sagte McNally und fügte hinzu, "Ich bin sehr daran interessiert zu sehen, wie sich dieses sehr große, dünne Material entfaltet."

Wenn die Paletten nicht genau wie vorgesehen einrasten, können Probleme während der restlichen Entfaltungssequenz schnell "kaskadieren".

Der dünne Stoff des Sonnenschirms beginnt sich am fünften Tag zu entfalten, sobald die Paletten in Position sind. Während kleine Löcher keine größeren Probleme verursachen könnten, stellte McNally fest, dass Trümmer oder Haken andere Mechanismen zusätzlich belasten und einen erfolgreichen Einsatz verhindern könntenDie Herausforderung wird erhöht, weil es schwierig ist, das Verhalten so dünner Materialien zu simulieren, sagt er.

Der Hauptspiegel

Der Hauptspiegel wird am 13. Tag ausgefahren. Mit Gold beschichtet und wie eine Wabe geformt, es ist der größte Spiegel, der jemals in den Weltraum gebracht wurde, mit einer Sammelfläche, die mehr als sechsmal größer ist als die des Hubble. Webbs wissenschaftliche Mission erforderte einen so großen Spiegel, um so viel Licht wie möglich einzufangen, aber dies erwies sich als enorme technische Herausforderung. Die Lösung ist ein Spiegel, der aus 18 einzelnen Sechsecken mit einem Durchmesser von jeweils 1,3 m besteht. Sein Flächengewicht beträgt etwa ein Zehntel des Hubbles! Wenn er in der Raketenverkleidung zusammengeklappt ist, ist Webbs Spiegel geteiltin drei Teile, die sich während Webbs zweiter Woche im Weltraum erstrecken werden.

Jedes der Berylliumsegmente ist an einer Reihe kleiner Motoren, Aktuatoren genannt, befestigt, die es dem Fahrzeug ermöglichen, das Licht genau im richtigen Winkel zu fokussieren. Hier gibt es außergewöhnlich wenig Raum für Fehler. Selbst der kleinste Kratzer kann irreparable Schäden verursachenund zerstören unsere Fähigkeit, über den Kosmos zu blicken. Der Hubble war jahrelang offline gehalten während die Besatzungen einen Herstellungsfehler wettmachten, der dazu führte, dass der Spiegel um etwa ein Fünfzigstel der Breite eines menschlichen Haares verformt war. Leider sind solche Reparaturen, wie bereits erwähnt, mit Webb aufgrund seiner extremen Umlaufbahn nicht möglich.

Der Fangspiegel

Der Sekundärreflektorspiegel ist nicht so auffällig wie die Wabenoberfläche, aber genauso wichtig. Auf drei 7,6 Meter langen Armen montiert, dieser Spiegel lenkt die Photonen wird vom Hauptspiegel in das Teleskop selbst aufgenommen, wo Kameras und Spektrographen darauf warten, die physikalischen Eigenschaften des Lichts in Daten umzuwandeln. Die Arme, Rohre aus einem nur einen Millimeter dicken Verbundmaterial, werden etwa 10 . ausgefahrenTage nach der Explosion.

McNally sagt, dass der Sekundärspiegel ähnlich ist – wenn auch größer als – Spiegel, die bei anderen Teleskopen verwendet werden, aber das bedeutet nicht, dass der erfolgreiche Einsatz einfach sein wirdDie größte Herausforderung besteht darin, die Arme zum Positionieren des Spiegels zu bewegen. „Man muss eine gewisse Dynamik aufbauen...zu sein, sagte er. Jede Art von Fehlausrichtung, die auch nur eine winzige Änderung der endgültigen Position des Spiegels verursacht, könnte Webb ernsthaft dysfunktional machen.

Das Unerwartete

Die Idee von 344 Einzelfehlern ist atemberaubend, aber der Grund, warum Ingenieure Listen erstellen, besteht darin, das Ausfallrisiko zu begrenzen und zu mindern. Sie können Komponenten Tausende von Stunden unter einer Reihe von Bedingungen testen. Sie können Simulationen durchführen, umBeobachten Sie, wie sich unterschiedliche Prozesse unter verschiedenen Umständen entwickeln – einige von ihnen wahrscheinlich nicht und viele von ihnen werden nicht zulassen, dass sich der Spiegel entfaltet. Schwieriger ist es, sich auf das Unerwartete vorzubereiten.

Zum Beispiel ist es möglich, dass die Reihe von Verzögerungen, die Webbs Sicherheit gewährleisten sollten, seinen Erfolg tatsächlich gefährden könnte. „Jede davon kann ein wenig Unsicherheit verursachen“, sagte McNally.

Auch die Galileo-Sonde erlebte vor ihrem Start jahrelange Rückschläge. Nach dem Challenger-Unfall wurde die Sonde transportiert und eingelagert. Irgendwann wurde Schmiermittel von drei Rippen abgerieben, die eine der Antennen des Fahrzeugs aktiviertenAls Galileo versuchte, die Antenne auszufahren, blieb sie stecken. Wissenschaftler und Ingenieure verbrachten fast vier Jahre damit, eine Problemumgehung zu entwickeln. "Niemand sagte: 'Wir lagern sie oder bewegen sie hin und her, die Schmierung wird weg sein.".' Es war etwas, das sie im Nachhinein fanden."

Und doch wird es wahrscheinlich funktionieren

Es stimmt, dass Webb viele Einzelfehler hat. Viele. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass Einzelfehler nicht unbedingt schlecht sind. Ein Auto zum Beispiel hat nur eine Möglichkeit zum Lenken. „Wenndas Lenkrad geht aus, wir haben keine Möglichkeit, das Auto zu manövrieren", sagte McNally. Es ist ein Single-Point-Failure, den wir akzeptieren, weil die Autohersteller "das Lenksystem sehr zuverlässig machen".ein Backup-System: die Notbremse.

"Sie müssen akzeptieren, dass diese Fehler die Gesamtleistung und den Missionserfolg beeinträchtigen können", sagte McNally, aber "Sie durchlaufen Zuverlässigkeitstests [und] Simulationsanalysen ... um die Gewissheit zu gewinnen, dass dies nicht passieren wird."Die meisten Entscheidungen, Urteile und Tests, die zusammen den Erfolg von Webb bestimmen werden, sind bereits getroffen. Jetzt können wir nur noch sitzen, den Atem anhalten und auf die Bilder warten, die den Forschern vielleicht – nur vielleicht – helfen können, dieGeschichte unseres Universums und stellen Sie sich unseren Platz im Kosmos neu vor.